科学家们提出了一个丢失的土星卫星，他们称之为蛹，它被拉到地球上，直到它撕裂，形成环并促成土星的倾斜。这张土星的自然彩色视图是通过结合年5月6日美国宇航局卡西尼号宇宙飞船拍摄的六张图像创建的。它以土星的巨大卫星泰坦为特色，它比水星还大。泰坦下方是土星环投下的阴影。
根据一项新的研究，“放牧相遇”可能将月球粉碎成土星环。
围绕行星赤道旋转的土星环是行星倾斜旋转的明显指标。这颗带状气体巨行星相对于它绕太阳运行的平面旋转了26.7度角。由于土星的倾斜进动，就像一个旋转的陀螺，其速度几乎与它的邻居海王星的轨道相同，天文学家长期以来一直怀疑这种倾斜来自与海王星的引力相互作用。
然而，麻省理工学院和其他地方的天文学家进行的一项新的建模研究发现，虽然这两颗行星可能曾经同步，但土星已经摆脱了海王星的引力。是什么导致了这次行星重新排列？研究小组有一个经过精心检验的假设：一颗失踪的月亮。他们的研究发表在9月15日的《科学》杂志上。
在这项研究中，研究小组提出，如今拥有83颗卫星的土星曾经至少拥有一颗额外的卫星，他们将其命名为Chrysalis。天文学家认为，蛹与它的兄弟姐妹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地球上拉扯和拉扯。
然而，该团队估计，大约1.6亿年前，蝶蛹变得不稳定，并且在一次放牧相遇中离它的星球太近，导致卫星分开。失去月球足以将土星从海王星的掌控中移开，并使其保持今天的倾斜。
此外，天文学家推测，虽然蝶蛹的大部分破碎身体可能与土星发生了撞击，但它的一小部分碎片可能仍然悬浮在轨道上，最终破碎成冰冷的小块，形成这颗行星的标志性环。
因此，失踪的卫星蛹可以解释两个长期存在的谜团：土星现在的倾斜度和它的环的年龄，以前估计大约有1亿年——比地球本身年轻得多。
这是卡西尼号于年1月2日从土星轨道上看到的景象。在这张照片中，地球夜晚的光环已显着变亮，以更清楚地显示它们的特征。在白天，光环被直射的阳光和土星云顶反射的光照亮。图片来源：ASA/JPL-Caltech/SpaceScienceInstitute
“就像蝴蝶的蛹一样，这颗卫星长期处于休眠状态，突然变得活跃起来，环出现了，”JackWisdom说。他是这项新研究的主要作者，也是麻省理工学院行星科学教授。
该研究的合著者包括麻省理工学院的RolaDbouk、加州大学伯克利分校的BurkhardMilitzer、亚利桑那大学的WilliamHubbard、加州大学圣克鲁兹分校的FrancisNimmo和BrynnaDowney，以及韦尔斯利学院的RichardFrench。
进步的一刻
在年代初，科学家们提出了土星的倾斜轴是地球与海王星发生共振或引力关联的结果。然而，年至年围绕土星运行的美国宇航局卡西尼号宇宙飞船的观测结果给这个问题带来了新的转折。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引力使科学家们得出结论，月球很可能是造成土星倾斜并使土星与海王星共振的原因。
美国宇航局卡西尼号宇宙飞船的视图显示了年土星的北半球，因为土星的这一部分接近其北半球夏至。土星上的一年是地球的29年。
然而，这种解释取决于一个主要的未知因素：土星的惯性矩，即质量在行星内部的分布方式。土星的倾斜可能会有所不同，这取决于物质是更集中在其核心还是朝向表面。
“为了在这个问题上取得进展，我们必须确定土星的惯性矩，”Wisdom说。
丢失的元素
在他们的新研究中，Wisdom和他的同事们希望利用卡西尼号在其“大结局”中最后一次观察到的一些观测结果来确定土星的转动惯量，在这个任务阶段，航天器非常接近地精确绘制地图整个星球周围的引力场。引力场可用于确定行星中的质量分布。
Wisdom和他的同事对土星内部进行了建模，并确定了与卡西尼号观测到的引力场相匹配的质量分布。令人惊讶的是，他们发现这个新发现的惯性矩使土星靠近海王星的共振，但刚好在共振之外。行星可能曾经同步，但不再同步。
“然后我们开始寻找使土星脱离海王星共振的方法，”Wisdom说。
哈勃望远镜在年对土星的观察显示，土星北半球波段的颜色发生了快速而极端的变化。
首先，该团队进行了模拟，以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自然不稳定性是否会影响地球的倾斜。这次搜索是空的。
因此，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。该等式中的一项具有来自所有卫星的贡献。该团队推断，如果从这个总数中移除一颗卫星，它可能会影响地球的岁差。
问题是，这颗卫星必须有多大，它必须经历什么样的动力才能使土星脱离海王星的共振？
Wisdom和他的同事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。
根据他们的结果，他们得出的结论是，土星目前的倾斜是与海王星共振的结果，而尺寸与土星第三大卫星Iapetus差不多大小的卫星Chrysalis的丢失使其能够逃脱共振。
大约在到1亿年前，蝶蛹进入了一个混乱的轨道区域，与土卫八和土卫六进行了多次近距离接触，最终离土星太近，在一次放牧相遇中将卫星撕成碎片，留下一小部分将地球作为一个碎片散布的环环绕。
他们发现，蝶蛹的消失不仅解释了土星的岁差和今天的倾斜，而且还解释了其壮观环的晚期形成。
“这是一个非常好的故事，但就像任何其他结果一样，它必须由其他人检查，”Wisdom说。“但看起来，这颗丢失的卫星只是一个蛹，等待着它的不稳定。”
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