能容納1000個地球,范圍極大的土星環,究竟是怎麼形成的?

天空之城 2022/09/20 檢舉 我要評論

土星可以說是太陽系八大行星中最令人驚嘆的行星之一, 它獨一無二的美麗星環讓它脫穎而出,除了土星,太陽系的其他氣體巨行星都沒有如此壯觀的星環。

這也讓許多人對土星環的由來感到好奇,它似乎不是從土星誕生時就存在的,探測器的探測結果也證明了這一猜想:土星的歷史已經有45億年,而土星環在距今1-2億年前才誕生

近日,由麻省理工學院Jack Wisdom領導一個研究小組有了新的發現,他們不僅再一次確認了土星環的年齡,還進一步分析出了土星環神秘的身世:它是一顆土星衛星的殘骸,而這顆衛星之所以會變成現在的碎片,則可能是受到了海王星的引力影響。

早在1610年,伽利略就利用他自制的天文望遠鏡第一次窺見了土星環,50年后,惠更斯將土星環解釋為環繞著行星的圈圈,隨后的三世紀內,對土星環的研究似乎陷入了停滯,直到旅行者一號飛掠土星,第一次近距離地拍到了土星環的真實面容。

整個土星環由多重環重疊而成,從A環到E環,整個范圍達到了1600萬公里左右,看著數字可能對它的大小沒有概念,但拿地球的大小對比一下就可以感受它的波瀾壯闊,地球的直徑只有13000km, 也就是說整個土星環可以容納1000多個地球。

而龐大的土星環實際上是由不計其數的小顆粒組成的,比如一些碎冰塊,碎石塊以及塵土等,其中碎冰塊最多,大小也從幾微米到幾百米不等,它們組成一條條有間隙的環帶,在太陽光的照射下能夠反射出十分耀眼的光輝。

然而這些壯觀的景象極有可能是一樁慘案的遺骸: 一顆受海王星影響,最終被土星撕碎的衛星遺骨。

到目前為止,科學家共發現了82顆圍繞土星運行的衛星。研究人員認為,在幾億年前可能有83顆,第83顆衛星也并沒有消失,它一直在我們的眼前:用望遠鏡就能看到的土星環。

研究人員把這顆已經被撕碎的衛星稱為Chrysalis(蝶蛹),意味它破繭而出,化成美麗的土星環,Chrysalis應該和現有的土衛八大小一致,后者的直徑約為1470公里,如果它真的存在,并且一直保留至今,它將會和其余的82顆衛星一直環繞土星數十億年。

那麼究竟發生了什麼,最終改變了這一結果?

土星繞太陽運行時,一側的傾斜角可以超過26度,這樣的角度已經比地球的傾斜度還要夸張,地球的傾斜度也只是在 22.1和24.5之間擺動,科學家猜測,土星離奇的傾斜角很可能源于和海王星的引力糾纏。

土星和海王星雖然相距遙遠,但它們卻暗中互相影響,存在共振關系,所以土星的自轉軸傾角僅略小于海王星。

土星和海王星在過去幾十億年內一直相安無事,直到受到了土衛六的影響,土衛六是土星最大的衛星, 它的軌道和Chrysalis在某一時間段發生了共振,導致土衛六出現了微小的偏移,然而由于土衛六的質量巨大,一點的偏移就影響到了整個土星系。

在土衛六與土衛八等其他大衛星的引力作用下,Chrysalis的軌道愈發混亂,離土星越來越近,直至被土星撕裂,被撕裂的衛星大部分物質落在了土星上,還有一部分則漂浮在了空中,形成了著名的土星環。

研究人員提取出了卡西尼號火星探測器墜入土星大氣層之前最后一次掃描收集的數據,獲取了土星的引力場,利用引力場,研究人員對土星的物質分布進行了建模,最終計算出土星只是在不久前才和海王星停止了共振。

不僅如此,卡西尼號還提供了土星精準的角動量,角動量可以反映出土星質量與轉速和半徑的關系,分析顯示,土星的角動量,和理論上能夠與海王星恰好共振時應有的角動量只小了一點, 而缺失的這一點角動量,恰好用Chrysalis就可以補上。

早期地球很可能也形成過類似的行星環,在地球誕生初期,太陽系還是一片混沌,沒有形成完全穩定的軌道,小行星撞擊是常有的事,有一顆和火星大小差不多的星球以傾斜的角度撞上了地球,這顆星球幾乎完全被撞碎,地球也被撞得損失了一部分質量。

其中部分在太空中的碎片,就形成了圍繞地球運行的行星環,不過地球的這個行星環物質分布不均勻,其中有一塊物質較為密集的區域,它的引力不斷吸引著周圍更多的碎片,形成了原始的月球,并最終吸收完畢。

這時地球的行星環就消失了, 只剩下在空中的月亮。

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