远古宇宙碰撞可能形成了土星环和泰坦

美国 - 艾赫巴里通讯社

远古宇宙碰撞可能形成了土星环和泰坦

土星，这颗环绕的宝石，以其神秘的特征持续吸引着科学家们。虽然太阳系中的每一颗行星都带来独特的谜团，但土星壮观的光环系统及其274颗已确认的卫星，使其成为行星探索的首要目标。一个长期存在的问题是这些光环的起源以及它们与行星众多卫星的联系。主流理论认为，光环可能是古代月球碰撞的残余物，或者是那些过于靠近土星而被其巨大引力撕裂的卫星抛射出的物质。

一项新研究为这场持续的探索带来了重要的视角，该研究即将发表在《行星科学杂志》上。这篇由SETI研究所的Matija Ćuk领导的论文，题为“巨化卫星和土星环在一个两阶段土星系统不稳定性中的起源”（Origin of Hyperion and Saturn's Rings in A Two-Stage Saturnian System Instability），提出了一个引人注目的新假说。该研究目前可在arxiv.org上查阅。

作者们指出：“光环和土星某些卫星的年龄是一个悬而未决的问题，多条证据指向一场涉及过去卫星解体的近期（几亿年前）的灾难。”他们的研究推测，土星最大的卫星、也是太阳系第二大卫星的泰坦，是土星系统演化的核心驱动力。泰坦正在远离土星的潮汐迁移过程对整个系统产生了强大影响。研究人员提到：“土星的倾角和小型卫星海伯伦（Hyperion）的轨道，都记录了泰坦过去的轨道演变。”

土星约26.7度的轴倾角尤其不寻常。人们通常预期气态巨行星的形成倾角会小得多，这表明过去发生的重大事件导致了这种倾角。新的研究认为，这种倾角可能确实与泰坦向外迁移有关。作者解释说：“土星的倾角很可能是由行星之间的长期自旋-轨道共振产生的，而海伯伦则陷入了与泰坦的平均运动共振，这两种现象都由泰坦的轨道扩张驱动。”

之前的假设曾提出土星早期历史中存在一颗额外的卫星。在这种情况下，这颗假想的卫星可能与巨大的泰坦发生过近距离接触，被弹出轨道，然后解体形成土星的光环。为了调查这一可能性，研究人员采用了复杂的模拟。他们的目标是测试一颗额外的卫星是否真的能足够接近土星以产生其光环。该团队认为，他们的发现可以解决土星系统中一些长期存在的谜团，包括土星光环惊人的年轻年龄、卫星伊阿珀托斯（Iapetus）奇怪的倾斜（相对于土星赤道平面倾斜约15度），以及泰坦异常的迁移速率和表面撞击坑的稀少性。

这里就是卫星海伯伦登场的地方。海伯伦本身是一个异常体；它是已知最大的、未达到球形形态的天体之一，具有不规则的、常被描述为核桃状的形状。伊阿珀托斯也以其不寻常的赤道山脊和鲜明对比的明暗半球而闻名，但其形状也被描述为核桃状。

首席作者Ćuk在新闻发布会上说：“海伯伦，作为土星主要卫星中最小的一颗，为我们提供了关于该系统历史的最重要线索。”“在那些额外卫星变得不稳定的模拟中，海伯伦常常丢失，只有在罕见情况下才能幸存。我们意识到泰坦-海伯伦的锁定相对年轻，只有几亿年的历史。这与额外的卫星消失的时期大致相同。也许海伯伦并未幸存下来，而是由此产生。如果这颗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。这正是海伯伦形成的地方。”

根据模拟结果，当土星与其他行星的自旋-轨道共振被扰乱时，海伯伦也形成了。研究人员推测，这颗被称为“原海伯伦”（proto-Hyperion）的额外卫星是一个中等大小的外部卫星。土星自旋-轨道共振的扰乱使原海伯伦变得不稳定，导致其在大约4亿年前与“原泰坦”（proto-Titan）相撞。

这次巨大碰撞产生的碎片一部分聚集在海伯伦上，这可能解释了其不规则的形状。此外，原海伯伦在碰撞前的引力扰动可以解释伊阿珀托斯的轨道倾角，并增加了泰坦的轨道离心率。这引发了一系列事件：泰坦与内部卫星如“原狄俄涅”（Proto-Dione）和“原瑞亚”（Proto-Rhea）的共振相互作用导致了不稳定性、进一步的碰撞以及土星内部卫星和其壮观光环的最终再聚集。大部分碎片聚集成卫星，一小部分形成了光环。

原泰坦和原海伯伦的合并提议也为泰坦表面缺乏显著撞击坑提供了解释。尽管泰坦具有古老的起源，但根据这一理论，其表面实际上过于年轻，不足以积累大量的撞击坑。

观察土星系统的图像，总能传达出一种动态演变的感觉。研究人员提出的新模型提供了一个连贯的时间线，巧妙地解释了该系统中许多最令人费解的特征。尽管所述事件发生在数亿年前，并且直接证实仍然具有挑战性，但这项研究为理解太阳系中最迷人的世界之一的历史提供了一个强大的新框架。

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