化繭為蝶守護你，土星失落的衛星蝶繭如何變成其環？

2024-08-15科學

（旅行者2號宇宙飛船於1981年8月4日拍攝了這張土星、土星環和一些衛星的壯麗照片。科學家們認為，大約1億年前，土星撕裂了它的一顆衛星，形成了這顆行星雄偉的光環。科學家現在稱土星失去的衛星為「蝶繭（Chrysalis）」。圖片來源：NASA/JPL）

從衛星到土環的演變

盡管土星的光環龐大而壯觀，但太陽系中其他氣態巨行星的光環系統卻極其薄弱。科學家們一直在思考這是為什麽。2022年9月15日，加州大學柏克萊分校的科學家們表示，他們認為土星的光環與傾斜度相關。他們認為，1.6億年前，土星的一顆大型衛星解體並變成了土星的光環。他們將這顆失落的衛星命名為「蝶繭」，因為它能夠像昆蟲的繭變成蛾或蝴蝶一樣，從一顆衛星轉變成光環。

這項研究由麻省理工學院的傑克·威斯頓（Jack Wisdom）領導，並於本周發表在同行評審的【科學】雜誌上。

土星的光環形成時間不到1億年

2019年，一組科學家得出結論，相對於土星本身而言，土星光環形成相對較新。土星可能與太陽系的其他部份一起形成於大約45億年前。然而，這些科學家表示，他們的研究表明土星光環是較新的特征，形成於不到1億年前。

2022年的研究更進一步。它提出土星的光環系統來源於一顆曾經與土衛三（即土星第三大衛星）大小相當的衛星。他們推測這顆衛星曾過於接近土星。如果是這樣的話，土星會吞噬這顆衛星99%的品質，而其余的品質則形成了土星的光環。傑克·威斯頓解釋道：「（土星的）傾斜度過大，不可能是原行星盤已知的形成過程或後來的大碰撞造成的。雖然有各種解釋，但都不完全令人信服。最棒的是先前無法解釋的光環年輕年齡在我們的情景中自然得到了解釋。」

（卡西尼號宇宙飛船於2007年4月25日拍攝了這張土星環的特寫照片。圖片來源：NASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute）

土星-海王星的聯系

盡管土星和海王星在太空中相距數十億英裏，但它們之間仍然存在聯系。天文學家的聲明解釋道：「天文學家之前懷疑土星的軸傾斜度是由於與其外側伴星海王星的重力交互作用造成的。這是因為土星的軸傾斜度進動（如同旋轉的陀螺）速度幾乎與海王星軌域的進動速度相同。這種交互作用被稱為共振。」

在新的研究中，研究人員得出結論，數十億年來，海王星和土星處於共振狀態，這導致了土星自轉軸的傾斜。然而，土衛六（太陽系第二大衛星）的外移使得土星系統失去穩定，導致它失去了一顆衛星並脫離了共振。結果是什麽呢？一套明亮而美麗的光環，裝飾著今天的土星。

土星失落的衛星「蝶繭」

某些太陽系天體，如水星和木星，相對於太陽系平面的傾斜幾乎為零。相對於它們繞太陽的軌域，它們的軸幾乎是垂直的。其他天體，包括地球和土星，有較大的軸傾斜度。地球傾斜了大約23.5度，而土星的傾斜度為26.7度。土星大傾斜的一個原因可能是其與海王星的進動共振。科學家們表示這種共振會使土星的輕微傾斜變成大傾斜。

在這項新研究中，威斯頓需要知道土星有多少角動量。Minute Physics將動量描述為「物體在直線運動時的沖力大小」，而角動量則是「計算物體在圓周運動時沖力大小的一種方法」。較高的角動量會使土星更能抵抗外力，例如來自太陽或其他行星的影響。所以他向加州大學柏克萊分校的布爾克哈德·米利策尋求幫助。米利策的團隊利用卡西尼任務的測量數據提供了土星角動量的精確測量。團隊驚訝地發現，土星的角動量僅比其與海王星共振所需的角動量小了一點點。

然而，計算顯示，如果土星曾經有一顆額外的衛星，土星和海王星就會處於共振狀態，這點非常關鍵。

（藝術概念描繪了太陽系中行星的傾斜。圖片來源：NASA/ JPL-Caltech/ Richard Barkus.）

分離總是艱難的

假設土星和海王星曾經處於共振狀態，那麽它們是如何分離的呢？電腦模擬表明，最可能的情景是在某個時刻，土星的土衛六與失落的衛星「蝶繭」進入了共振狀態，如果發生這種情況，「蝶繭」的軌域就會變得不穩定。

如果「蝶繭」的軌域變得不穩定，「蝶繭」最終會靠近土星。而在那時，土星的重力會將這顆衛星撕裂開來。「蝶繭」殘留的部份，即沒有掉入土星的部份，變成了土星壯麗的光環系統。科學家利用土衛六今天遠離土星的速度來估算「蝶繭」何時變得不穩定，何時最終被摧毀。結果表明是在大約1億到2億年前，這個數位與當前對土星光環年齡的估計相匹配。