部分土星衛星比恐龍年代還年輕

作者 | 發布日期 2016 年 04 月 10 日 0:00 | 分類 天文 follow us in feedly
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根據 SETI 研究所首席研究員 Matija Cuk 等人的最新研究:土星的某些冰質衛星和光環,可能是近代產物,其形成時間僅在數億年前,比大多數恐龍物種統治地球的年代還晚;這個時間點,比天文學家以前認為的還要晚很多。



人們從 1600 年代便知曉土星環的存在,但對土星環的形成年代卻屢有爭議。其中,最簡單明確的推測就是它們是和土星一起在 40 多億年前形成的。然而在 2012 年時,法國天文學家發現土星系統有潮汐效應(tidal effect),即土星內部深處的流體與內側衛星之間的重力交互作用;在此潮汐效應下,這些內側衛星的公轉軌道很快地便愈來愈大。這意味著,從這些內側衛星現今位置來看,這些衛星,甚至是光環,都是近期才形成的現象。Cuk 等人利用這個事實經由電腦模擬方式來窺探土星內側冰質衛星的歷史。Cuk 等人就是因此才發現這些小衛星的形成年代比之前認為的還晚 2% 左右。

我們自己的月球繞地球公轉時是獨佔一個軌道,土星眾多衛星則有許多是共用軌道,當它們的軌道因潮汐效應逐漸擴大的過程中,卻因軌道半徑增加速度不一,使得某些共用軌道的衛星對偶然間會進入所謂的軌道共振(orbital resonance)狀態,某顆衛星的公轉軌道周期會與另一顆衛星的軌道周期呈簡單比例,例如 1:2 或 2:3 等。在這種特殊狀態下,即使小衛星的重力很微弱,仍對彼此軌道有強烈影響力,使得它們的軌道變得更為橢長,且軌道平面傾角增加,逐漸偏離原來的軌道平面。

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將現行的軌道傾角和電腦模擬所預測的加以比較後,便可瞭解土星衛星的軌道變動多少。結果證明土星最重要的衛星中,如土衛三(Tethys)、土衛四(Dione)和土衛五(Rhea)等,其軌道變動程度比先前認為的還溫和一點;而它們的軌道傾角相對於其他衛星也比較小,顯示它們不曾經歷過太多軌道共振,這意味著它們原本的形成地點離現在所處位置並不遠。

但是,它們究竟是在多久之前形成的?Cuk 等人利用卡西尼號(Cassini)太空船的觀測資料來尋找答案。卡西尼號觀測到土衛二(Enceladus)也有冰噴泉。假設促使冰噴泉噴發的能量直接來自潮汐交互作用,且土衛二的地熱活動程度大致維持固定,那麼土星內部的潮汐力就會非常強。如此一來,僅能將這些衛星小幅移動,從電腦模擬結果來看,大約花了 1 億年左右。而由此又可推測土星主要衛星的形成時間,除了距離土星比較遠的土衛六(Titan)和土衛八(Iapetu)之外,其他主要衛星的形成的時間都在距今不久的白堊紀,也就是恐龍主宰地球的主要時期。

不過,隨之而起的問題是:什麼原因造成這些內側衛星在近期形成?Cuk 等人認為最可能的原因是土星以前有類似的衛星群,但它們的軌道受到土星繞太陽公轉過程中出現的某種軌道共振擾動,使得鄰近衛星的軌道彼此交錯,造成這些天體發生碰撞;土星的眾多小衛星和光環就是在這串碰撞事件中形成的。如果這個結論正確,則土星的亮環可能比恐龍全盛期還年輕,這才讓我們今日有幸得以見到這些漂亮的光環。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:Flickr/bark CC BY 2.0) 

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