一項新研究顯示，一次“擦肩而過”可能將土星的衛星打成碎片，進而最終形成了土星環。土星環圍繞著該行星的赤道旋轉，是該行星傾斜旋轉的一個明顯指標。這個帶狀的氣體龐然大物以26.7度的角度旋轉，相對於它繞太陽運行的平面。

由於土星的傾斜，就像一個旋轉的陀螺，其速度幾乎跟它的鄰居海王星的軌道相同，天文學家長期以來一直懷疑這種傾斜來自於跟海王星的引力相互作用。

然而麻省理工學院和其他地方的天文學家進行的一項新建模研究發現，雖然這兩顆行星可能曾經同步，但土星後來已經擺脫了海王星的牽引。那麼是什麼造成了這種行星的重新排列？研究小組提出了一個經過縝密測試的假說：一顆失踪的衛星。他們的研究於9月15日發表在《科學》上。

在這項研究中，研究小組提出，今天擁有83顆衛星的土星曾經至少還藏有一顆，這是一顆額外的衛星，他們將其命名為Chrysalis。天文學家認為，Chrysalis和它的兄弟姐妹們一起圍繞土星運行了幾十億年，以一種保持其傾斜度跟海王星共振的方式拉扯著這顆行星。

然而研究小組估計，大約在1.6億年前，Chrysalis開始變得不穩定，並在一次擦肩而過的遭遇中因離自己的行星太近從而將這顆衛星拉開。衛星的損失足以使土星脫離海王星的控制並使其呈現出今天的傾斜。

此外，天文學家推測，雖然Chrysalis的大部分碎片可能已經撞擊了土星，但它的一小部分碎片可能仍懸浮在軌道上，最終破碎成小的冰塊並形成了這顆星球標誌性的環。

因此，Chrysalis–這顆失踪的衛星可以解釋兩個長期存在的謎團：土星現在的傾斜度和它的星環的年齡，以前估計它的年齡約為1億年–比行星本身年輕得多。

“就像蝴蝶的蛹一樣，這顆衛星長期處於休眠狀態，後來突然變得活躍起來，星環出現了，”Jack Wisdom說道。他是這項新研究的論文第一作者，也是麻省理工學院的行星科學教授。

該研究的共同作者包括麻省理工學院的Rola Dbouk、加州大學伯克利分校的Burkhard Militzer、亞利桑那大學的William Hubbard、加州大學聖克魯茲分校的Francis Nimmo和Brynna Downey及韋爾斯利學院的Richard French。

一個進步的時刻

在21世紀初，科學家們提出了這樣一個觀點：土星的軸線傾斜是由於該行星陷入了與海王星的共振或引力關聯。然而NASA的卡西尼號航天器在2004年至2017年期間圍繞土星進行的觀測為這個問題帶來了新的轉機。科學家們發現，土星最大的衛星–土衛六正在以比預期更快的速度遠離土星，據悉，它在以每年約11厘米的速度遷徙。土衛六的快速遷移以及它的引力使科學家們得出結論，這顆衛星很可能是負責傾斜並使土星跟海王星保持共振的。

然而這一解釋取決於一個主要的未知因素。土星的慣性矩，也就是質量在行星內部的分佈。土星的傾斜可能表現得不同，這取決於物質是更多地集中在其核心還是朝向表面。

“為了在這個問題上取得進展，我們必須確定土星的慣性矩，”Wisdom說道。

失去的元素

在新研究中，Wisdom和他的同事們利用卡西尼號在其Grand Finale中進行的一些最後的觀測來確定土星的慣性矩。在這一階段中，航天器進行了極其緊密的接近，從而精確繪製了整個行星周圍的引力場。引力場可用於確定該行星的質量分佈。

Wisdom和他的同事對土星的內部進行了建模並確定了跟卡西尼號觀察到的引力場相匹配的質量分佈。令人驚訝的是，他們發現這個新確定的慣性矩使土星接近，但剛好在跟海王星的共振之外。這兩顆行星可能曾經是同步的，但現在不再是了。

“然後我們就去尋找讓土星脫離海王星的共振的方法，”Wisdom說道。

首先，研究小組進行了模擬，他們將土星及其衛星的軌道動力學向後演變，以此來觀察現有衛星之間是否有任何自然不穩定因素可以影響行星的傾斜。據悉，這一搜索結果是空的。

因此，研究人員重新審查了描述行星前傾的數學方程，也就是行星的旋轉軸如何隨時間變化。這個方程中的一個項有來自所有衛星的貢獻。研究小組推斷，如果從這個總和中移除一顆衛星，那麼它可能會影響到行星的前行。

問題是，那顆衛星要有多大的質量以及它要經歷怎樣的動力學過程才能使土星脫離海王星的共振？

Wisdom和他的同事們進行了模擬以確定衛星的屬性，如它的質量和軌道半徑及將土星從共振中剔除所需的軌道動力學。

最後他們得出結論，土星目前的傾斜是跟海王星共振的結果，而衛星Chrysalis的損失約是土星第三大衛星–iapetus的大小，這使得它能夠擺脫共振。

在2億到1億年前的某個時候，Chrysalis進入了一個混亂的軌道區，其經歷了跟Iapetus和Titan的多次親密接觸，並最終離土星太近，進而在一次擦肩而過的遭遇中，衛星被撕成了碎片，最後只留下一小部分作為一個佈滿碎片的環狀物環繞著這個星球。

他們發現，Chrysalis的消失不僅解釋了土星的早衰和它今天的傾斜，而且還解釋了它壯觀的星環形成的晚期。

“這是一個相當好的故事，但就像其他的結果一樣，它將必須由其他人來檢驗，”Wisdom說道，“但是看起來這個丟失的衛星只是一個蛹，等待著它的不穩定。”