研究：土星的星环和倾斜可能是一个古老的、失踪的卫星的产物

由于土星的倾斜，就像一个旋转的陀螺，其速度几乎跟它的邻居海王星的轨道相同，天文学家长期以来一直怀疑这种倾斜来自于跟海王星的引力相互作用。

然而麻省理工学院和其他地方的天文学家进行的一项新建模研究发现，虽然这两颗行星可能曾经同步，但土星后来已经摆脱了海王星的牵引。那么是什么造成了这种行星的重新排列？研究小组提出了一个经过缜密测试的假说：一颗失踪的卫星。他们的研究于9月15日发表在《科学》上。

在这项研究中，研究小组提出，今天拥有83颗卫星的土星曾经至少还藏有一颗，这是一颗额外的卫星，他们将其命名为Chrysalis。天文学家认为，Chrysalis和它的兄弟姐妹们一起围绕土星运行了几十亿年，以一种保持其倾斜度跟海王星共振的方式拉扯着这颗行星。

然而研究小组估计，大约在1.6亿年前，Chrysalis开始变得不稳定，并在一次擦肩而过的遭遇中因离自己的行星太近从而将这颗卫星拉开。卫星的损失足以使土星脱离海王星的控制并使其呈现出今天的倾斜。

此外，天文学家推测，虽然Chrysalis的大部分碎片可能已经撞击了土星，但它的一小部分碎片可能仍悬浮在轨道上，最终破碎成小的冰块并形成了这颗星球标志性的环。

因此，Chrysalis--这颗失踪的卫星可以解释两个长期存在的谜团：土星现在的倾斜度和它的星环的年龄，以前估计它的年龄约为1亿年--比行星本身年轻得多。

“就像蝴蝶的蛹一样，这颗卫星长期处于休眠状态，后来突然变得活跃起来，星环出现了，”Jack Wisdom说道。他是这项新研究的论文第一作者，也是麻省理工学院的行星科学教授。

该研究的共同作者包括麻省理工学院的Rola Dbouk、加州大学伯克利分校的Burkhard Militzer、亚利桑那大学的William Hubbard、加州大学圣克鲁兹分校的Francis Nimmo和Brynna Downey及韦尔斯利学院的Richard French。

一个进步的时刻

在21世纪初，科学家们提出了这样一个观点：土星的轴线倾斜是由于该行星陷入了与海王星的共振或引力关联。然而NASA的卡西尼号航天器在2004年至2017年期间围绕土星进行的观测为这个问题带来了新的转机。科学家们发现，土星最大的卫星--土卫六正在以比预期更快的速度远离土星，据悉，它在以每年约11厘米的速度迁徙。土卫六的快速迁移以及它的引力使科学家们得出结论，这颗卫星很可能是负责倾斜并使土星跟海王星保持共振的。

然而这一解释取决于一个主要的未知因素。土星的惯性矩，也就是质量在行星内部的分布。土星的倾斜可能表现得不同，这取决于物质是更多地集中在其核心还是朝向表面。

“为了在这个问题上取得进展，我们必须确定土星的惯性矩，”Wisdom说道。

失去的元素

在新研究中，Wisdom和他的同事们利用卡西尼号在其Grand Finale中进行的一些最后的观测来确定土星的惯性矩。在这一阶段中，航天器进行了极其紧密的接近，从而精确绘制了整个行星周围的引力场。引力场可用于确定该行星的质量分布。

Wisdom和他的同事对土星的内部进行了建模并确定了跟卡西尼号观察到的引力场相匹配的质量分布。令人惊讶的是，他们发现这个新确定的惯性矩使土星接近，但刚好在跟海王星的共振之外。这两颗行星可能曾经是同步的，但现在不再是了。

“然后我们就去寻找让土星脱离海王星的共振的方法，”Wisdom说道。

首先，研究小组进行了模拟，他们将土星及其卫星的轨道动力学向后演变，以此来观察现有卫星之间是否有任何自然不稳定因素可以影响行星的倾斜。据悉，这一搜索结果是空的。

因此，研究人员重新审查了描述行星前倾的数学方程，也就是行星的旋转轴如何随时间变化。这个方程中的一个项有来自所有卫星的贡献。研究小组推断，如果从这个总和中移除一颗卫星，那么它可能会影响到行星的前行。

问题是，那颗卫星要有多大的质量以及它要经历怎样的动力学过程才能使土星脱离海王星的共振？

Wisdom和他的同事们进行了模拟以确定卫星的属性，如它的质量和轨道半径及将土星从共振中剔除所需的轨道动力学。

最后他们得出结论，土星目前的倾斜是跟海王星共振的结果，而卫星Chrysalis的损失约是土星第三大卫星--iapetus的大小，这使得它能够摆脱共振。

在2亿到1亿年前的某个时候，Chrysalis进入了一个混乱的轨道区，其经历了跟Iapetus和Titan的多次亲密接触，并最终离土星太近，进而在一次擦肩而过的遭遇中，卫星被撕成了碎片，最后只留下一小部分作为一个布满碎片的环状物环绕着这个星球。

他们发现，Chrysalis的消失不仅解释了土星的早衰和它今天的倾斜，而且还解释了它壮观的星环形成的晚期。

“这是一个相当好的故事，但就像其他的结果一样，它将必须由其他人来检验，”Wisdom说道，“但是看起来这个丢失的卫星只是一个蛹，等待着它的不稳定。”