土星环的起源：恐龙时期冰卫星之间的大规模碰撞？

超级计算机模拟表明，土星环可能起源于恐龙时代两个冰冷卫星之间的大规模碰撞。美国宇航局的合作研究利用狄拉克超级计算设备模拟了潜在的月球碰撞，揭示了各种情况可以将适量的冰分散到土星的罗氏极限，形成其独特的环。尽管许多问题仍然存在，包括土星卫星上存在生命的可能性，但这项研究为理解土星系统开辟了新的途径。来源:NASA/杜伦大学/格拉斯哥大学/Jacob Kegerreis/Luís Teodoro

根据美国宇航局的超级计算机模拟，土星环可能是由数百万年前两个冰冷卫星之间的碰撞形成的。这一发现为土星系统提供了新的见解，并提出了一个问题关于其卫星上潜在的生命。

在晴朗的夜晚，用一架像样的业余望远镜，可以从地球表面看到土星及其一系列引人注目的光环。但是那些戒指是怎么来的呢?它们能告诉我们关于土星及其卫星的什么信息?土星和卫星是美国宇航局希望寻找生命的潜在地点之一。一系列新的超级计算机模拟为土星环的起源之谜提供了答案——其中包括恐龙还在地球上漫游时的一次大规模碰撞。

9月27日，美国国家航空航天局(NASA)及其合作伙伴在《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)上发表的一项新研究表明，土星环可能是由数亿年前两颗冰冷卫星相撞并破碎的碎片演变而来的。没有最终进入土星环的碎片也可能对土星今天的一些卫星的形成做出了贡献。

美国宇航局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames research Center)的研究科学家雅各布·凯格雷斯(Jacob Kegerreis)说:“我们对土星系统还有很多不了解的地方，包括它的卫星上可能存在适合生命生存的环境。”“所以，使用这样的大型模拟来详细探索它们是如何进化的，这是令人兴奋的。”

美国国家航空航天局(NASA)和杜伦大学(Durham University)的新模拟提出了土星环和冰卫星起源的理论——它们可能是在围绕这颗气态巨行星运行的两颗卫星发生大规模碰撞后形成的。这项研究中使用的模拟是研究土星环和可能适合居住的冰卫星形成的最详细的模拟之一。图片来源:NASA/Jacob Kegerreis/Luís Teodoro

高分辨率模拟和新见解

美国国家航空航天局的卡西尼号任务帮助科学家们了解了土星环和它的一些卫星在天文学上有多年轻。这些知识开启了关于它们如何形成的新问题。

为了了解更多信息，研究团队转向英国杜伦大学的分布式研究使用先进计算(DiRAC)超级计算设施。他们模拟了前体卫星之间可能发生的不同碰撞。这些模拟的分辨率比以前的研究高100多倍，使用了开源的模拟代码SWIFT，让科学家们对土星系统的历史有了最好的了解。

今天，土星环离土星很近，在所谓的罗氏极限范围内——在最远的轨道上，一颗行星的引力强大到足以使更大的岩石或冰体解体。在更远的轨道上运行的物质可能聚集在一起形成卫星。

艺术家描绘的美国宇航局的卡西尼号在2017年的“大结局”中，飞船多次在土星和土星环之间飞行，然后故意坠入土星的大气层。来源:美国国家航空航天局/姓名

冰与碰撞的作用动力部分

通过模拟近200种不同版本的撞击，研究小组发现，各种各样的碰撞场景都可以将适量的冰分散到土星的罗氏极限，在那里它们可以沉淀成环。

虽然其他的解释还不能说明为什么土星环中几乎没有岩石——它们几乎完全由大块的冰构成——但这种类型的碰撞可以解释这一点。

“这种情况自然会导致富含冰的环，”杜伦大学物理系/计算宇宙学研究所副教授文森特·艾克(Vincent Eke)说，他是该论文的合著者。“当冰冷的祖先卫星相互撞击时，碰撞体核心的岩石分散的范围不如上面的冰大。”

冰和岩石碎片也会撞击该系统中的其他卫星，可能导致一连串的碰撞。这种倍增效应可能会破坏土星环外的任何其他前体卫星，而今天的卫星可能就是从这些卫星中形成的。

计算机模拟土星轨道上两颗冰冷卫星撞击的静态图像。碰撞喷出的碎片可能演变成地球上标志性的、非常年轻的环。该模拟使用了超过3000万个粒子，由它们的冰或岩石材料着色，使用开源的SWIFT模拟代码运行。来源:NASA/杜伦大学/格拉斯哥大学/Jacob Kegerreis/Luís Teodoro

Gravitatio影响和未来的研究

但究竟是什么导致了这些事件的发生呢?土星的两颗前卫星可能是由于太阳引力的微小影响“叠加”而导致它们围绕土星的轨道不稳定而碰撞的。在正确的轨道配置中，来自太阳的额外拉力会产生滚雪球效应——一种“共振”——它会拉长和倾斜卫星通常圆形和平坦的轨道，直到它们的轨道相交，从而导致高速撞击。

今天，土星的卫星土卫五的轨道正好在卫星会遇到这种共振的轨道之外。就像地球的卫星一样，土星的卫星也会随着时间的推移向外迁移。所以，如果土卫五是古老的，它应该在最近的过去穿过共振。然而，土卫五的轨道是非常圆且平坦的。这表明它没有经历共振的不稳定效应，相反，它是最近形成的。

这项新研究与土星环最近形成的证据一致，但仍有很大的问题有待解决。如果至少有一些土星的冰卫星也是年轻的，那么这对土卫二等行星表面下的海洋中存在生命的可能性意味着什么?我们能解开从地球原始系统，到撞击前，一直到现在的完整故事吗?在这项工作的基础上，未来的研究将帮助我们更多地了解这颗迷人的行星和围绕它运行的冰冷世界。

参考资料:“土星环和中型卫星最近的撞击起源”，作者:L. F. A. Teodoro, J. A. Kegerreis, P. R. Estrada, M. ?uk, V. R. Eke, J. N. Cuzzi, R. J. Massey和T. D. Sandnes, 2023年9月27日，《天体物理学杂志》。1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / acf4ed