文章图片
文章图片
文章图片
文章图片
在太阳系中 ， 土星可以说是一个非常神秘的行星 ， 它不但体积巨大 ， 仅次于木星 ， 而且它还拥有让其他行星望尘莫及的巨大星环 ， 就像一个硕大的“草帽”扣在这个气态行星的中央 。 与此同时 ， 土星的自转平面与太阳系的黄道平面之间 ， 还有一个高达26.7度的倾角 ， 这些不同寻常的特征长期以来一直吸引着天文学家的目光 ， 而天文学家们重点研究的对象 ， 就是土星的上述不同寻常的星环和倾角 ， 到底是如何形成的 。
关于土星观测结果的疑问关于土星星环的形成 ， 长期以来 ， 人们认为这些星环是大约45亿年前土星本身形成时留下的物质 。 而关于土星倾角的形成 ， 在 2000 年代初 ， 科学家们提出了土星的倾斜轴 ， 是土星与海王星发生共振或引力关联的结果 。 这两个解释虽然从原理上能够解释得通 ， 但是缺乏了必要的观测数据作为支撑 。
2004 年至 2017年 ， 围绕土星运行的美国宇航局卡西尼号宇宙飞船 ， 所带来的观测结果让科学家们不得不重新进行思考 。 科学家们发现 ， 土星最大的卫星土卫六 ， 正以比预期更快的速度离开土星 ， 每年的速度约为 11 厘米 。
土卫六的快速迁移及其与土星之间引力的变化 ， 使科学家们得出结论 ， 正是由于土星卫星的存在 ， 极有可能是造成土星倾斜并使土星与海王星共振的原因 。
科学家们进行模拟研究这种猜测 ， 如果要想得到证实 ， 必须取决于一个主要的未知数-土星的惯性矩 ， 即质量在行星内部的分布方式 。 物质在土星上的分布 ， 更倾向于核心还是朝向表面 ， 则土星的倾斜可能会有所不同 。
为了解决这一问题 ， 麻省理工学院的研究团队开展了一项新研究 ， 利用卡西尼号在其“大结局”中最后一次观测到的一些观测结果 ， 来确定土星的惯性矩 ， 方法简单来说就是绘制整个星球周围的引力场 ， 从而确定行星中的质量分布 。
【土星不同寻常的星环和倾角，到底怎么形成的？可能发生了“蝶变”】为此 ， 研究团队对土星内部进行了建模 ， 确定了与卡西尼号观测到的引力场相匹配的质量分布 ， 结果让人十分惊讶 ， 他们发现惯性矩使土星接近但刚好在与海王星的共振之外 。 于是研究的重点 ， 就转变为寻找让土星脱离海王星共振的方法 。
团队首先进行了模拟 ， 使土星及其卫星的轨道动力学及时向后发展 ， 以查看现有卫星之间的任何不稳定性是否会影响土星的倾斜 ， 不过模拟的结果显示为“空” ， 意味着这种情形和土星的倾斜不相关 。 随后 ， 研究人员重新检查了描述行星进动的数学方程式 ， 即行星的自转轴如何随时间变化 。 在方程式中 ， 有一项来自所有卫星的贡献 ， 研究团队设想 ， 如果从这个总集合中移除一颗卫星 ， 那么是否会影响土星的运行状态呢？
研究结果让人眼前一亮要从根本上进行验证 ， 那么就必须知道这颗卫星有多大 ， 必须知道它到底经历了什么样的动力才能使土星脱离海王星的共振 。 为此 ， 研究团队进行了模拟以确定卫星的特性 ， 例如它的质量和轨道半径 ， 以及将土星从共振中击退所需的轨道动力学 。 最后得出了一个结论 ， 即土星目前的倾斜是与海王星共振的结果 ， 而失去了与土星现在第三大卫星-土卫四几乎同样大小相当的卫星 ， 才使土星拜托了与海王星的共振 。
研究团队将这颗“失落”的卫星命名为“蝶蛹” ， 之所以这么命名 ， 是考虑到它就像蝴蝶的蛹一样 ， 长期处于休眠状态 ， 也就是说同它的“兄弟姐妹”们一起绕土星运行了数十亿年 ， 以一种保持其倾斜度或“倾角”与海王星共振的方式 ， 在土星的引力作用下不断地受到拉扯 。
不过这种状态一直持续到大约距今1.6亿年前 ， 这个“蝶蛹”变得不稳定了起来 ， 并且在一次“游荡”相遇中离土星太近 ， 导致脱离了土星卫星群 ， 就像蛹发生了蝶变一样 ， 最后羽化成蝶 。
推荐阅读
- 美国著名科学家斯坦利·博尔顿发现大规模陨石而闻名
- 石油是生物变的，科学界的主流结论，为何很多人觉得十分可笑？
- 世界尽头的变化 出现“神秘天坑”(图)
- 2025年，人类将在月球上种植植物，微型生物圈结构已经准备就绪
- 宇宙中是否有哪颗星的质量大于银河系？
- “天赋+勤奋+努力”之下的“可塑性”
- 虫洞或许是时光旅行机，某天如果有人敲门说是你曾孙请不要拒绝！
- 超觉体验：流放在宇宙尽头
- 爱摇滚的女性科学家，带来癌症诊疗新突破 | 诺奖追踪