（旅行者2号宇宙飞船于1981年8月4日拍摄了这张土星、土星环和一些卫星的壮丽照片。科学家们认为，大约1亿年前，土星撕裂了它的一颗卫星，形成了这颗行星雄伟的光环。科学家现在称土星失去的卫星为“蝶茧（Chrysalis）”。图片来源：NASA/JPL）

从卫星到土环的演变

尽管土星的光环庞大而壮观，但太阳系中其他气态巨行星的光环系统却极其薄弱。科学家们一直在思考这是为什么。2022年9月15日，加州大学伯克利分校的科学家们表示，他们认为土星的光环与倾斜度相关。他们认为，1.6亿年前，土星的一颗大型卫星解体并变成了土星的光环。他们将这颗失落的卫星命名为“蝶茧”，因为它能够像昆虫的茧变成蛾或蝴蝶一样，从一颗卫星转变成光环。

这项研究由麻省理工学院的杰克·威斯顿（Jack Wisdom）领导，并于本周发表在同行评审的《科学》杂志上。

土星的光环形成时间不到1亿年

2019年，一组科学家得出结论，相对于土星本身而言，土星光环形成相对较新。土星可能与太阳系的其他部分一起形成于大约45亿年前。然而，这些科学家表示，他们的研究表明土星光环是较新的特征，形成于不到1亿年前。

2022年的研究更进一步。它提出土星的光环系统来源于一颗曾经与土卫三（即土星第三大卫星）大小相当的卫星。他们推测这颗卫星曾过于接近土星。如果是这样的话，土星会吞噬这颗卫星99%的质量，而其余的质量则形成了土星的光环。杰克·威斯顿解释道：“（土星的）倾斜度过大，不可能是原行星盘已知的形成过程或后来的大碰撞造成的。虽然有各种解释，但都不完全令人信服。最棒的是先前无法解释的光环年轻年龄在我们的情景中自然得到了解释。”

（卡西尼号宇宙飞船于2007年4月25日拍摄了这张土星环的特写照片。图片来源：NASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute）

土星-海王星的联系

尽管土星和海王星在太空中相距数十亿英里，但它们之间仍然存在联系。天文学家的声明解释道：“天文学家之前怀疑土星的轴倾斜度是由于与其外侧伴星海王星的引力相互作用造成的。这是因为土星的轴倾斜度进动（如同旋转的陀螺）速度几乎与海王星轨道的进动速度相同。这种相互作用被称为共振。”

在新的研究中，研究人员得出结论，数十亿年来，海王星和土星处于共振状态，这导致了土星自转轴的倾斜。然而，土卫六（太阳系第二大卫星）的外移使得土星系统失去稳定，导致它失去了一颗卫星并脱离了共振。结果是什么呢？一套明亮而美丽的光环，装饰着今天的土星。

土星失落的卫星“蝶茧”

某些太阳系天体，如水星和木星，相对于太阳系平面的倾斜几乎为零。相对于它们绕太阳的轨道，它们的轴几乎是垂直的。其他天体，包括地球和土星，有较大的轴倾斜度。地球倾斜了大约23.5度，而土星的倾斜度为26.7度。土星大倾斜的一个原因可能是其与海王星的进动共振。科学家们表示这种共振会使土星的轻微倾斜变成大倾斜。

在这项新研究中，威斯顿需要知道土星有多少角动量。Minute Physics将动量描述为“物体在直线运动时的冲力大小”，而角动量则是“计算物体在圆周运动时冲力大小的一种方法”。较高的角动量会使土星更能抵抗外力，例如来自太阳或其他行星的影响。所以他向加州大学伯克利分校的布尔克哈德·米利策寻求帮助。米利策的团队利用卡西尼任务的测量数据提供了土星角动量的精确测量。团队惊讶地发现，土星的角动量仅比其与海王星共振所需的角动量小了一点点。

然而，计算显示，如果土星曾经有一颗额外的卫星，土星和海王星就会处于共振状态，这点非常关键。

（艺术概念描绘了太阳系中行星的倾斜。图片来源：NASA/ JPL-Caltech/ Richard Barkus.）

分离总是艰难的

假设土星和海王星曾经处于共振状态，那么它们是如何分离的呢？计算机模拟表明，最可能的情景是在某个时刻，土星的土卫六与失落的卫星“蝶茧”进入了共振状态，如果发生这种情况，“蝶茧”的轨道就会变得不稳定。

如果“蝶茧”的轨道变得不稳定，“蝶茧”最终会靠近土星。而在那时，土星的引力会将这颗卫星撕裂开来。“蝶茧”残留的部分，即没有掉入土星的部分，变成了土星壮丽的光环系统。科学家利用土卫六今天远离土星的速度来估算“蝶茧”何时变得不稳定，何时最终被摧毁。结果表明是在大约1亿到2亿年前，这个数字与当前对土星光环年龄的估计相匹配。

科学家还表示，未来更精确的测量将帮助他们确认这些理论。威斯顿评论道：“这是一个很好的故事。但和其他任何结果一样，它需要被其他人检验。不过，看来这颗失落的卫星就像一个“蝶茧”，等待不稳定的蜕变。

（这张土星的照片来自卡西尼号宇宙飞船。它展示了土星（黄色背景）、光环（条纹）、木卫六（带大气层的金色模糊球）和一颗较小的卫星迪翁。一项新的研究表明，土星环曾经是一颗卫星。图片来源：NASA/ JPL-Caltech/ Space Science Institute.）

结论：一项新研究表明，一颗被科学家称为“蝶茧”的土星失落卫星，由于过于接近土星而被撕裂开来，形成了我们今天看到的光环系统。

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