太空里都是老家伙?土星光环比恐龙还年轻

根据一样最新的研究,著名的土星光环,以及土星系统内侧的众多卫星,可能都形成于地球上的恐龙时代。图片来源:NASA/JPL

根据一样最新的研究,著名的土星光环,以及土星系统内侧的众多卫星,可能都形成于地球上的恐龙时代。图片来源:NASA/JPL

  我们老觉得星球啊,太空里的东西都是非常非常久远的,反正至少得比地球上的东西远吧——但还真不是。新研究暗示,土星的一些冰质卫星,以及著名的土星光环,或许只是近现代才出现的。它们的诞生或许发生在区区1亿年前,甚至比许多恐龙兴盛的年代还要更晚。

  土星光环自17世纪初以来就一直大名鼎鼎,但它到底多老了,一直没有定论。最直接的假设是,它们非常古老,就跟土星本身一样古老,也就是有差不多40多亿年的历史。然而,在2012年,法国天文学家发现,潮汐效应,也就是土星内部深处的流体对土星内侧卫星产生的引力相互作用,正导致后者相当迅速地盘旋移入半径更大的轨道之中。这就意味着,考虑到这些卫星以及光环现在的位置,它们只能是一个最近才出现的现象。

  “卫星的轨道总是在改变,这是不可避免的。”美国SETI研究所该项研究的首席研究员马蒂查·库克(Matija Cuk)说,“但这一事实让我们能够利用计算机模拟厘清土星内侧卫星的历史。通过这项研究,我们发现它们很可能诞生于土星最近2%的历史之中。”

新研究发现,土卫五和所有更靠近土星的卫星,包括土星光环在内,或许都形成于区区1亿年前。更外侧的卫星(图中并未画出),包括最大的土卫六,可能与土星本身一样古老。图片来源:NASA/JPL

新研究发现,土卫五和所有更靠近土星的卫星,包括土星光环在内,或许都形成于区区1亿年前。更外侧的卫星(图中并未画出),包括最大的土卫六,可能与土星本身一样古老。图片来源:NASA/JPL

  库克,连同美国西南研究院的卢克·多恩斯(Luke Dones)和戴维·纳斯沃尼(David Nesvorny)一起,利用计算机模拟推算了土星内侧冰质卫星的动态历史。虽然我们的月亮在自己的轨道上独自绕着地球旋转,但土星的许多卫星就没有这样的“个人空间”了,它们不得不与其他卫星共享轨道空间。由于潮汐作用,它们的轨道都在逐渐变大,但变化速率各不相同。这会导致一些卫星偶尔进入所谓的轨道共振。当两颗卫星的轨道周期恰好构成某种简单的比例关系,比如1:2或者2:3时,就会发生轨道共振现象。在这样的特殊配置下,就算是引力微弱的小卫星,也能强烈影响彼此的轨道,使得它们的轨道拉得更长,并倾斜出它们原本的轨道平面。

  通过比对计算机模拟所作的预言和实际观测到的土星卫星轨道倾角,这些研究者能够了解那些卫星的轨道变大了多少。结果表明,对于最重要的那些卫星,比如土卫三(Tethys)、土卫四(Dione)和土卫五(Rhea),它们的轨道不像先前认为的那样经历过显著的改变。相对较小的轨道倾角表明,它们没有经历过太多轨道共振,意味着它们必定是在跟现在差不多的位置上形成的。

土卫三上有着一条巨大的峡谷,被命名为伊萨基裂谷(Ithaca Chasma)。研究者提出,伊萨基裂谷是在数百万年前,当土卫三与相邻的土卫四发生轨道共振时,被强大的潮汐力撕扯开来的。图片来源:NASA

土卫三上有着一条巨大的峡谷,被命名为伊萨基裂谷(Ithaca Chasma)。研究者提出,伊萨基裂谷是在数百万年前,当土卫三与相邻的土卫四发生轨道共振时,被强大的潮汐力撕扯开来的。图片来源:NASA

  然而,它们诞生于多久以前呢?库克及其团队借助NASA卡西尼探测器(Cassini)获得的成果来帮助回答了这个问题。卡西尼探测器观察过土卫二(Enceladus)上的冰喷泉。假设驱动这些冰喷泉的能量全部直接来源于潮汐作用,再假设土卫二的地热活动水平大致保持恒定,那么土星内部的潮汐就相当强烈。根据这个研究团队的分析,这就使得土星内侧的卫星移动这一小段距离的时间,按模型的模拟,只需要大约1亿年就够了。这也就确定了土星一些主要的卫星的形成年代——除了离土星更远的土卫六(Titan)和土卫八(Iapetus)以外,其他卫星都形成于相对较近的时期,相当于地球上的白垩纪(Cretaceous Period),也就是恐龙兴盛的时代。

  “是什么导致土星的这些内侧卫星在这么近的时间上诞生?”库克问道,“我们的最佳猜测是,土星以前也有一系列类似的卫星,但它们的轨道被某种特殊的轨道共振破坏了,这种共振甚至涉及到土星绕着太阳所作的公转。最终,相邻卫星的轨道发生交叉,这些天体发生了碰撞。正是从碰撞之后的‘瓦砾堆’中,诞生了现在的这些卫星和光环。”

  如果这一结果是正确的,土星明亮的光环出现的年代就可能比恐龙的全盛时期还要晚,我们今天能够目睹土星光环是何等的幸运!

  这项研究即将发表在《天体物理期刊》(the Astrophysical Journal)上。

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