天王星的衛(wèi)星和星環(huán)—控制和被控制的關(guān)系？

天王星討人厭的衛(wèi)星阻礙了天王星星環(huán)的發(fā)展

電腦模擬結(jié)果揭示了天王星27顆衛(wèi)星中最大的一顆是如何控制發(fā)育遲緩的星環(huán)的

詹姆斯韋布太空望遠(yuǎn)鏡于2023年2月6日拍攝的天王星放大照片（圖源：國家航空航天局，航天局，加拿大航天局，太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所J. 帕斯夸里）

據(jù)設(shè)計用來研究星環(huán)來源的最新模擬結(jié)果顯示，天王星5顆主要的衛(wèi)星牢牢控制著天王星星環(huán)的大小，它們把大量的塵埃逐出了天王星系統(tǒng)外。

作為離太陽第七遠(yuǎn)的行星，天王星因其98°的傾斜而引人注目，這種傾斜是天王星很久以前歷史中一次巨大撞擊的產(chǎn)物。

加利福尼亞大學(xué)河濱分校（UCR）的行星天體物理學(xué)教授斯蒂芬卡尼在空間網(wǎng)（Space.com）的電話訪談中說：“我的動力之一就是去尋找天王星星環(huán)是否是將天王星弄歪的最初撞擊時的產(chǎn)物，結(jié)果證明可能不是，因為星環(huán)的組成物質(zhì)尚未出現(xiàn)這么久”。

卡尼和UCR的助手科學(xué)家李哲星是一篇新論文的共同作者，這篇論文描述了天王星5顆主衛(wèi)星（天衛(wèi)一、天衛(wèi)二、天衛(wèi)三、天衛(wèi)四和天衛(wèi)五）和星環(huán)之間的相互作用。尤其當(dāng)衛(wèi)星和星環(huán)產(chǎn)生“平運動共振”狀態(tài)時，相互作用達(dá)到峰值。

當(dāng)外部天體比內(nèi)部天體的繞軌周期大一整倍時，兩個繞軌天體之間會出現(xiàn)一個平運動共振。例如，如果星環(huán)顆粒在離天王星一個特定距離上繞軌兩周、此時衛(wèi)星剛好繞軌一周時，它們就會進(jìn)入引力共振狀態(tài)。這種共振會導(dǎo)致星環(huán)中的物質(zhì)脫離系統(tǒng)使星環(huán)變小。天王星最大質(zhì)量的2個衛(wèi)星-直徑298英里（480千米）的天衛(wèi)五和720英里寬（1160千米）的天衛(wèi)一-造成的共振的影響最大，幾乎可以縮短4.3倍行星半徑的距離。（天王星的半徑是15759英里或25362千米，所以4.3倍行星半徑是67700英里或109000千米）。

天王星的環(huán)在最初形成時可能更大、更亮，但后來由于衛(wèi)星的共振作用而減弱。不過天王星依然有星環(huán)存在的事實說明天王星系統(tǒng)中有各種來源的塵埃為其進(jìn)行補充。其中一個主要來源是對其衛(wèi)星或大或小的撞擊。

“撞擊對天王星的影響程度尚不明確”卡尼說?！暗荹大量質(zhì)量流失情況下星環(huán)卻依舊存在]表明這種想法也許比最初設(shè)想的可能性更高?！背矒敉猓瑖娚湟部赡苁沁@個系統(tǒng)中的一種粒子來源。當(dāng)冰衛(wèi)星進(jìn)入共振狀態(tài)，來自其他衛(wèi)星的引力潮汐以及天王星內(nèi)部的彎曲，將會引發(fā)低溫火山的爆發(fā)，導(dǎo)致衛(wèi)星中的物質(zhì)噴射出來。

卡尼和李發(fā)現(xiàn)，隨著塵埃顆粒通過以上任一方式涌入天王星系統(tǒng)，在40倍天王星半徑距離內(nèi)（超過63萬公里一點，或大約100萬千米），衛(wèi)星在僅50萬年中內(nèi)就會驅(qū)逐約35%的物質(zhì)。隨后質(zhì)量流失率減慢，變成流失40%/1千萬年。

“質(zhì)量流失率如此之高令人震驚，”卡尼說?！笆切l(wèi)星間的相互作用導(dǎo)致了這種質(zhì)量流失?！?/p>

詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡于2023年2月6日拍攝的天王星全景照片，可以看到它27顆已知衛(wèi)星中的6顆。（圖源：國家航空航天局，航天局，加拿大航天局，太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所J. 帕斯夸里）

天王星衛(wèi)星的軌道一直變化讓問題變的更加復(fù)雜。

“有很多證據(jù)表明這些衛(wèi)星一直移向不同的共振位置，”卡尼說。鑒于有很多靠近天王星進(jìn)行軌道共振的機會，“隨著星環(huán)內(nèi)部的衛(wèi)星不斷的移入移出共振狀態(tài)，使星環(huán)變得更狹窄。”

模擬也表明在兩個大的衛(wèi)星之間更有可能產(chǎn)生穩(wěn)定的星環(huán)軌道。

“試想一下衛(wèi)星之間嵌入了星環(huán)，且衛(wèi)星造成了星環(huán)截斷的場景，多么有趣！”卡尼說。

天王星并不是唯一一個這樣的行星系統(tǒng)。在2022年，卡尼對具備微弱且狹窄環(huán)帶的木星進(jìn)行了一項類似的研究，木星占據(jù)了它行星系統(tǒng)的大部分質(zhì)量。在這項研究中，卡尼發(fā)現(xiàn)木星的4顆最大衛(wèi)星-艾奧（木衛(wèi)一）、歐羅巴（木衛(wèi)二）、加尼未（木衛(wèi)三）和卡利斯托（木衛(wèi)四）-噴射的大部分塵埃物質(zhì)也許解釋了木星環(huán)的形成原因。

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此刻，對木星和天王星的設(shè)想尚且只存在理論模型階段。天王星的一個未來太空飛行任務(wù)可以測量出來這個系統(tǒng)流失的質(zhì)量嗎？

“不只是是否有機會可以測量質(zhì)量流失這一個問題，為了觀測到這種質(zhì)量流失，需要目前已有的質(zhì)量真的流失，”卡尼說，最近沒有地理上的撞擊導(dǎo)致塵埃供應(yīng)減少，“我懷疑目前流失的質(zhì)量非常之少”。

這種想法將很快得到驗證。最近的行星十年規(guī)劃計劃將一個天王星軌道發(fā)射任務(wù)列為最高優(yōu)先級，最晚將于2035年發(fā)射，在2040年到達(dá)既定軌道。這個發(fā)射任務(wù)將對天王星內(nèi)部進(jìn)行研究，測量可能引起它質(zhì)量流失的引力場。如果天王星系統(tǒng)內(nèi)存在塵埃，發(fā)射器也許可以探測到它們的逃逸。天王星依然是尚未被探索到的太陽系邊界，國家航空航天局發(fā)射的旅行者2號的其中一個任務(wù)就是穿過它，未來還有很多激動人心的發(fā)現(xiàn)等著我們。

本項研究至今尚未被出版在科學(xué)雜志上，可以在arXiv preprint網(wǎng)頁上進(jìn)行查看。

BY:Keith Cooper

FY: 雜七八糟嘿

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