土星的兩大謎題

在夜空中的所有可見行星中，或許沒有哪一顆會比土星更易識別、更具標(biāo)志性。

土星。（圖 /NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

土星是太陽系中第二大行星，它與同為氣態(tài)巨行星的木星一樣，是一個主要由氫氣和氦氣構(gòu)成的巨大球體。然而，它有著非常獨特的外觀——在它的周圍，環(huán)繞著巨大的土星環(huán)。雖然在木星、天王星和海王星的周圍也擁有這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但與土星環(huán)相比，它們要暗淡、稀疏得多，體積和質(zhì)量也都更小。

土星環(huán)的存在，暴露了土星的一個 " 秘密 " ——它是傾斜的，它的軸線與繞太陽公轉(zhuǎn)的平面之間存在26.7°的傾角。在太陽系的 45 億年歷史中，土星環(huán)并不是一直存在。相反，它們很可能是在不到 1 億年前才被創(chuàng)造出來的，比土星本身的年齡要年輕得多。

那么，土星環(huán)是被如何創(chuàng)造出來的？它的傾角的起源又是什么？一直以來，這兩個問題都困擾著天文學(xué)家?，F(xiàn)在，在一篇發(fā)表于《科學(xué)》雜志的新研究中，一個研究團隊提出了一個的新的假設(shè)，一舉解答了兩個問題。

快速逃離的土衛(wèi)六

一直以來，天文學(xué)家都懷疑這種傾斜源自于土星與相鄰的海王星之間的引力相互作用，認為這是土星與海王星共振的結(jié)果。后來，科學(xué)家們通過分析由卡西尼號土星探測器在 2004 年到 2017 年間觀測到的結(jié)果，意識到問題的答案可能沒有這么簡單。

當(dāng)時，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六（Titan），正在以大約每年 11 厘米的速度逃離土星。這一速度比預(yù)期更快，這種快速的向外遷移可能通過與海王星的軌旋進動共振，導(dǎo)致土星的傾角增加。

由卡西尼號在 2012 年拍攝到的照片，展示了土衛(wèi)六和土星。（圖 /NASA/JPL-Caltech/SSI）

但是，這種解釋依賴于一個關(guān)鍵的未知因素——土星的轉(zhuǎn)動慣量，即質(zhì)量是如何在行星內(nèi)部分布的。也就是說，物質(zhì)是更集中在土星的核心還是表面，決定了土星的傾角。因此，若要從這個角度分析土星的傾角，就必須先確定土星的轉(zhuǎn)動慣量。

擺脫共振的方法

在新研究中，研究人員利用卡西尼號在靠近土星時所觀測到的數(shù)據(jù)，來確定土星的轉(zhuǎn)動慣量。當(dāng)卡西尼號非常貼近土星時，它可以精確地繪制土星周圍的引力場。接著，研究人員可以通過引力場來確定土星的質(zhì)量分布。

研究人員用模型模擬了土星的內(nèi)部，并通過與卡西尼號觀測到的引力場相匹配，最終確定了土星的質(zhì)量分布。令他們驚訝的是，新計算得出的轉(zhuǎn)動慣量雖然會使土星接近海王星的共振，但又剛好超出共振所需的范圍。也就是說，土星和海王星或許曾經(jīng) " 步調(diào)一致 "，但現(xiàn)在已經(jīng)不再同步了。

于是，研究人員開始尋找能夠使土星擺脫與海王星的共振的方法。

他們首先模擬推演了土星及其衛(wèi)星的軌道動力學(xué)，想要觀察在現(xiàn)有的土星衛(wèi)星之間，是否存在任何自然的、可以影響土星的傾角的不穩(wěn)定性。但在這場搜索中，他們一無所獲。

接著，他們重新檢查了描述行星進動的數(shù)學(xué)方程，也就是描述行星的自轉(zhuǎn)軸會如何隨時間變化。在方程中，有一項代表的是所有衛(wèi)星所貢獻的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果刪除一顆衛(wèi)星，就會影響行星的進動。

一顆 " 出走 " 的衛(wèi)星：蝶蛹

一個自然的問題是，這樣一顆衛(wèi)星的質(zhì)量是多大？它要經(jīng)歷怎樣的動力學(xué)，才能使土星脫離海王星的共振？

通過模擬，研究人員確定了這樣一顆衛(wèi)星的一些基本性質(zhì)，比如它的質(zhì)量和軌道半徑，以及使土星脫離共振所需的軌道動力學(xué)。他們認為，這是一顆大小約與土衛(wèi)八相近的衛(wèi)星，其軌道被土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六的快速遷移所擾亂。

研究人員將這顆已經(jīng)失去的衛(wèi)星命名為 Chrysalis，意為 " 蝶蛹 "。在大約1 億多年前，蝶蛹進入了一個混亂的軌道區(qū)域，在經(jīng)歷了數(shù)次與土衛(wèi)八和土衛(wèi)六的近距離相遇后，在某個太過接近土星的飛掠時，被潮汐力撕成了碎片。失去這顆衛(wèi)星足以使土星脫離海王星的控制，導(dǎo)致土星的傾角通過與海王星共振增加，使傾角保持在現(xiàn)在的大小。

也許是一顆曾經(jīng)存在的名為 " 蝶蛹 " 巨大衛(wèi)星，造就了現(xiàn)在的土星環(huán)，以及其他各種已被觀測到的難以解釋的特性。（圖 /Burkhard Militzer/UC Berkeley and NASA）

更重要的是，研究人員還進而推測出，雖然這顆已經(jīng)喪失的衛(wèi)星的大部分碎片可能都與土星發(fā)生了碰撞，但仍然留下一小部分碎片仍然懸浮在軌道上，它們最終破碎成小冰塊，形成了標(biāo)志性的土星環(huán)。

解決兩個謎團

新的數(shù)值模擬結(jié)果為土星環(huán)書寫了一則新的故事：

當(dāng)土星剛剛形成時，它的自轉(zhuǎn)軸線與公轉(zhuǎn)平面之間的夾角只有幾度。在 1 億多年前，當(dāng)土星的傾角達到 36° 時，一顆名為 " 蝶蛹 " 的衛(wèi)星被潮汐力撕碎，它的一些碎片形成了土星環(huán)。而土衛(wèi)六的繼續(xù)向外遷移，以及它對土星和海王星共振的影響，導(dǎo)致了土星的傾角下降到現(xiàn)在的 26.7°。

這種新的假設(shè)不僅解釋了土星現(xiàn)有的傾角，還與觀測到的土星環(huán)的年齡和質(zhì)量一致?？梢哉f，" 蝶蛹 " 衛(wèi)星將會是土星研究中的一則喜聞樂見的故事。但就像任何其他結(jié)果一樣，我們還需要對這一結(jié)論進行更多的檢驗，以確定土星曾真的丟失過一顆這樣的衛(wèi)星。