美丽的土星光环，是1.6亿年前太阳系内一宗“血案”的物证

2022年09月16日15:55:13 科学 1704

土星环成因的一个新解释。

消失的卫星Chrysalis化身成为了美丽的土星环（想像图）。B. Militzer

旅行者2号拍摄的土星、土星环和部分土星卫星。照片拍摄于1981年8月4日，当时探测器正在飞掠土星系。NASA

20087年4月25日，卡西尼探测器近距离拍摄的土星环。NASA

土星环是太阳系里独一无二的存在。除了土星，太阳系里的其他气体巨行星都没有这么大这么壮观的环。这也让人对其由来感到好奇。仅凭直觉人们就怀疑土星环不是它与生俱来的。探测结果也证明这样的怀疑不无道理：土星形成于大约45亿年前，而土星环的年龄要年轻得多，形成时间大约在距今1亿至2亿年前。

近日科学家的研究也再一次论述了这种可能。麻省理工学院和加州大学伯克利分校的天文学家认为，土星环的年龄大约是1.6亿年，它是土星的一颗卫星碎裂后形成的残骸。而这颗卫星之所以会碎裂，是因为受到了与海王星有关的神秘力量的影响。

研究人员称这颗碎裂的卫星为Chrysalis（蝶蛹），以此比喻它化身为美丽土星环的过程。Chrysalis的大小应该和今天的土卫三（Iapetus）差不多。一系列连锁反应导致它在1亿多年前由于过于靠近土星而超越洛希极限，最终瓦解。碎裂后Chrysalis的碎片大部分被土星吞噬，1%留在轨道上，形成了我们今天看到的壮美土星环。

虽然土星和海王星相距遥远，但它们暗中却有联系。土星自转轴的进动和海王星自转轴的进动之间，可能存在着所谓的“共振（resonance）”关系。两者的周期都长达187万年。这导致土星拥有巨大的自转轴倾角（约27度），仅略小于海王星的自转轴倾角（约28度）。

土星和海王星在过去几十亿年中一直遵守着这一“约定”。但是土星最大的卫星——土卫六（泰坦）却在那时向着远离土星的轨道迁徙。这一过程使土星系进入了不稳定的状态，最终导致土星失去了一颗卫星，形成了一个环，并退出了与海王星的“共振”。

研究人员基于卡西尼探测器的数据，得出了土星角动量的一个较为精确的值。角动量能够反映土星质量、转速和半径的关系。结果显示，土星的角动量，与理论上土星和海王星处于共振状态时应该拥有的角动量只稍小一点。而缺失的这点角动量，正好能够用一个额外的土卫补上。

至于土卫六发生迁徙的原因，计算机模拟结果显示，当时它可能在某一时间段上，与Chrysalis发生了轨道共振。这会导致Chrysalis的轨道不稳定，使之过于靠近土星而解体。

根据土卫六今天的位置，以及理论上它迁徙至能够达到的速度，研究人员认为这一事件发生在距今1亿至2亿年前。而这也符合人们此前对土星环年龄的估计。