一场古老的宇宙合并可能形成了泰坦和土星环

美国 - 艾赫巴里通讯社

一场古老的宇宙合并可能形成了泰坦和土星环

我们太阳系中的每一颗行星都蕴藏着自己独特的谜团。当人类还在思考金星如何演变成地狱般的世界、火星上是否存在古代生命或地球生命起源等深刻问题时，土星作为一个特别迷人的天体脱颖而出。它标志性的环系统和惊人的274颗已确认的卫星吸引了世界各地行星科学家的目光。一个长期以来一直困扰着研究人员的核心问题是土星壮观的环的起源和时间线，以及它们与众多卫星之间复杂的联系。现有的理论认为，这些环要么是古老月球碰撞的残余物，要么是那些过于靠近土星、随后被其巨大引力撕裂的卫星的结果。

为我们理解土星系统增添了重要新层次的研究，一项即将发表在《行星科学杂志》上的最新研究提出了一种令人信服的假说。这项题为“海伯利安和土星环在两阶段土星系统不稳定性中的起源”的研究由SETI研究所的Matija Ćuk领导，目前可在arxiv.org上查阅。该论文提出，土星环的年龄和组成，以及其一些卫星的构造，是发生在数百亿万年前的一次灾难性事件的直接后果，该事件涉及过去卫星的破坏。

这个新理论的核心是泰坦，它是土星最大的一颗卫星，也是太阳系中第二大的卫星。研究强调，泰坦持续地远离土星的潮汐迁移在塑造整个土星系统中起着至关重要的作用。“土星的倾角和小型卫星海伯利安的轨道都记录了泰坦过去的轨道演变，”作者们说。土星的轴倾角约为26.7度，这对于通常预计形成时倾角小得多的气态巨行星来说，是异常不寻常的。这种显著的倾角表明存在强大的外部影响，研究人员认为泰坦向外迁移是可能的原因。

作者解释说：“土星的倾角很可能是由与行星的长期轨道共振产生的，而海伯利安则与泰坦陷入了平均运动共振，这两种现象都由泰坦的轨道扩张驱动。”这表明在宇宙时间尺度上，引力作用和轨道动力学之间存在复杂的相互作用。

在此基础上，先前关于土星过去曾存在一颗额外卫星的推测性研究，这项新研究进一步完善了这一设想。该假说认为，这颗额外的卫星与巨大的泰坦发生了近距离的引力碰撞，随后被抛出其稳定的轨道，并最终解体形成了我们今天看到的壮丽的环。研究人员利用复杂的模拟来探索这种可能性，旨在确定额外的卫星是否真的能足够接近土星以形成其环。他们声称，他们的发现为土星系统的几个令人费解的方面提供了连贯的解释：

• 土星环令人惊讶地年轻的年龄。
• 土星卫星伊阿珀图斯（Iapetus）奇特的轨道倾角，相对于土星的赤道平面倾斜约15度。
• 泰坦不寻常的迁移速率及其表面惊人稀少的撞击坑。

土星的一颗主要卫星，奇特的卫星海伯利安，在这个叙述中起着核心作用。海伯利安以其不规则的、有些像“核桃形状”的外观而闻名，使其成为已知最大的、未因引力平衡而呈圆形的ので天体之一。虽然伊阿珀图斯也以其不寻常的赤道山脊以及其正面和背面半球之间显著的亮度差异而闻名，但它的形状也不规则，并被描述为核桃形状。

首席作者库克在新闻发布会上说：“海伯利安是土星主要卫星中最小的一颗，它为我们提供了了解该系统历史的最重要线索。”“在额外卫星变得不稳定的模拟中，海伯利安经常丢失，只有在罕见情况下才能幸存。我们认识到泰坦-海伯利安锁定相对年轻，只有几亿年的历史。这大约与额外卫星消失的时间相同。也许海伯利安没有从这次动荡中幸存下来，而是从中产生的。如果额外的卫星与泰坦合并，它很可能会在泰坦轨道附近产生碎片。这正是海伯利安形成的地方。”

研究中的图示面板描绘了模拟结果，包括一个“原海伯利安与泰坦碰撞，伊阿珀图斯的最终轨道类似于当前轨道”的场景。这些可视化图像详细展示了泰坦与原海伯利安之间以及泰坦与伊阿珀图斯之间的平均运动共振（MMR），以及泰坦的半长轴演变。中间和底部的面板还绘制了三颗卫星相对于土星赤道的偏心率和倾角，展示了模型预测的复杂轨道舞蹈。

模拟表明，当土星与其他行星的自转-轨道共振被扰乱时，它触发了海伯利安的形成。研究人员提出，这颗被称为“原海伯利安”的额外卫星是一颗中等大小的外围卫星。土星自转-轨道共振的扰乱使原海伯利安变得不稳定，导致其在大约4亿年前与原泰坦碰撞。这次大规模碰撞产生的碎片被认为聚集在海伯利安上，为其独特的形状做出了贡献。此外，碰撞前原海伯利安的引力扰动可以解释伊阿珀图斯的轨道倾角，并可能增加了泰坦的轨道偏心率。这引发了一系列事件：泰坦与“原狄俄涅”和“原瑞亚”等内部卫星的共振相互作用导致了不稳定、进一步的碰撞以及土星内部卫星及其环的最终再聚集。大部分碎片聚集成卫星，而一小部分形成了壮观的环。

拟议的原泰坦和原海伯利安合并也为泰坦表面撞击坑相对缺乏提供了解释。尽管泰坦起源古老，但其地表可能已经过有效的重塑，或者在地质学上太年轻，以至于在灾难性合并后未能积累大量的撞击坑。

欧洲航天局（ESA）的惠更斯号探测器在降落泰坦时拍摄的图像显示，地表没有可见的撞击坑，这支持了地质活跃或近期地表重塑的卫星的观点。虽然对数亿年前发生的事件进行直接验证仍然具有挑战性，但研究人员的模型提供了一个连贯且令人信服的叙述，巧妙地解释了动态土星系统目前的状况。

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