新的模擬揭示了土星環(huán)和冰衛(wèi)星的起源
計算機(jī)模擬土星軌道上兩個冰冷衛(wèi)星撞擊的靜止圖像。碰撞噴射出的模擬碎片可能會演變成這顆行星標(biāo)志性的非常年輕的光環(huán)。該模擬使用了超過3000萬個粒子，揭示由它們的土星冰或巖石材料著色，使用開源的環(huán)和SWIFT模擬代碼運(yùn)行。鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局/達(dá)勒姆大學(xué)/格拉斯哥大學(xué)/雅各布·凱格爾雷斯/路易斯·特奧多羅
（神秘的冰衛(wèi)地球uux.cn）據(jù)美國宇航局（作者:弗蘭克·塔瓦雷斯，美國宇航局艾姆斯研究中心）：在一個晴朗的起源夜晚，用一架像樣的新的星業(yè)余望遠(yuǎn)鏡，從地球表面可以看到土星及其一系列非凡的模擬光環(huán)。但是揭示這些環(huán)是怎么來的呢？關(guān)于土星及其衛(wèi)星——美國宇航局希望尋找生命的潛在地點(diǎn)之一，它們能告訴我們什么？土星一系列新的超級計算機(jī)模擬為光環(huán)的起源之謎提供了答案——其中涉及一次大規(guī)模碰撞，當(dāng)時恐龍仍在地球上漫游。環(huán)和
根據(jù)美國宇航局及其合作伙伴的冰衛(wèi)新研究，土星環(huán)可能是起源由幾億年前兩顆冰冷衛(wèi)星相撞并破碎的碎片演變而來。沒有最終進(jìn)入光環(huán)的新的星碎片也可能有助于一些土星現(xiàn)代衛(wèi)星的形成。
“我們對土星系統(tǒng)仍有很多不了解，包括它的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星上可能存在適合生命生存的環(huán)境，”位于加州硅谷的美國宇航局艾姆斯研究中心的科學(xué)家雅各布·凱格爾雷斯說。“因此，使用這樣的大型模擬來詳細(xì)探索它們是如何進(jìn)化的是令人興奮的。”
美國國家航空航天局的卡西尼任務(wù)幫助科學(xué)家們了解了從天文學(xué)角度來說，土星環(huán)和它的一些衛(wèi)星有多年輕。這一知識提出了關(guān)于它們?nèi)绾涡纬傻男聠栴}。
為了了解更多信息，研究小組求助于英國杜倫大學(xué)的分布式研究使用高級計算(DiRAC)超級計算設(shè)施。他們模擬了前驅(qū)衛(wèi)星之間不同碰撞的樣子。這些模擬的分辨率比以前的此類研究高100多倍，使用了開源模擬代碼SWIFT，為科學(xué)家提供了他們對土星系統(tǒng)歷史的最佳見解。
土星環(huán)今天生活在靠近行星的地方，在所謂的洛希極限內(nèi)，這是最遠(yuǎn)的軌道，在這個軌道上，行星的引力足夠強(qiáng)大，足以瓦解任何靠近的較大巖石或冰體。更遠(yuǎn)軌道上的物質(zhì)會聚集在一起形成衛(wèi)星。
通過模擬近200種不同版本的撞擊，研究小組發(fā)現(xiàn)，各種各樣的碰撞場景可以將適量的冰分散到土星的洛希極限，并在那里形成環(huán)。
此外，盡管其他解釋無法解釋為什么土星環(huán)中幾乎沒有巖石——它們幾乎完全由大塊的冰構(gòu)成——但這種類型的碰撞可以解釋這一點(diǎn)。
“這種情況自然會導(dǎo)致富含冰的環(huán)，”杜倫大學(xué)物理系/計算宇宙學(xué)研究所副教授、論文合著者文森特·埃克說。“當(dāng)冰冷的祖先衛(wèi)星相互撞擊時，碰撞物體核心的巖石比上面的冰分散得更少。”
冰和巖石碎片也會撞擊系統(tǒng)中的其他衛(wèi)星，有可能導(dǎo)致一連串的碰撞。這種倍增效應(yīng)可能會破壞環(huán)外的任何其他前身衛(wèi)星，今天的衛(wèi)星可能就是從這些衛(wèi)星中形成的。
但是最初是什么引發(fā)了這些事件呢？土星的兩個前衛(wèi)星可能被太陽引力的小效應(yīng)“疊加”到一起，使它們圍繞行星的軌道不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致碰撞。在正確的軌道配置中，來自太陽的額外拉力可以產(chǎn)生滾雪球效應(yīng)——一種“共振”——延長和傾斜衛(wèi)星通常為圓形和扁平的軌道，直到它們的路徑相交，從而導(dǎo)致高速撞擊。
土星的衛(wèi)星土衛(wèi)五今天的軌道正好超出了衛(wèi)星會遇到這種共振的地方。像地球的月亮一樣，隨著時間的推移，土星的衛(wèi)星從地球向外遷移。所以，如果土衛(wèi)五是古代的，它會在最近的過去穿越共振。然而，土衛(wèi)五的軌道非常圓且平坦。這表明它沒有經(jīng)歷共振的不穩(wěn)定效應(yīng)，相反，它是最近才形成的。
新的研究與土星環(huán)最近形成的證據(jù)一致，但仍然有很大的未決問題。如果至少有一些土星的冰衛(wèi)星也是年輕的，那么這對于像恩克拉多斯這樣的世界表面下的海洋中的潛在生命來說意味著什么？我們能揭開從撞擊前到現(xiàn)在地球原始系統(tǒng)的全部故事嗎？基于這項(xiàng)工作的未來研究將幫助我們更多地了解這顆迷人的行星和圍繞它的冰冷世界。
這項(xiàng)研究發(fā)表在2023年9月26日的《天體物理學(xué)雜志:土星環(huán)和中型衛(wèi)星的近期撞擊起源》上。
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