新的模拟揭示了土星环和冰卫星的起源

在冰雪中的玫瑰

计算机模拟土星轨道上两个冰冷卫星撞击的静止图像。碰撞喷射出的碎片可能会演变成这颗行星标志性的非常年轻的光环。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。鸣谢:美国国家航空航天局/达勒姆大学/格拉斯哥大学/雅各布·凯格尔雷斯/路易斯·特奥多罗

（）据美国宇航局（作者:弗兰克·塔瓦雷斯，美国宇航局艾姆斯研究中心）：在一个晴朗的夜晚，用一架像样的业余望远镜，从地球表面可以看到土星及其一系列非凡的光环。但是这些环是怎么来的呢？关于土星及其卫星——美国宇航局希望寻找生命的潜在地点之一，它们能告诉我们什么？一系列新的超级计算机模拟为光环的起源之谜提供了答案——其中涉及一次大规模碰撞，当时恐龙仍在地球上漫游。

根据美国宇航局及其合作伙伴的新研究，土星环可能是由几亿年前两颗冰冷卫星相撞并破碎的碎片演变而来。没有最终进入光环的碎片也可能有助于一些土星现代卫星的形成。

“我们对土星系统仍有很多不了解，包括它的卫星，这些卫星上可能存在适合生命生存的环境，”位于加州硅谷的美国宇航局艾姆斯研究中心的科学家雅各布·凯格尔雷斯说。“因此，使用这样的大型模拟来详细探索它们是如何进化的是令人兴奋的。”

美国国家航空航天局的卡西尼任务帮助科学家们了解了从天文学角度来说，土星环和它的一些卫星有多年轻。这一知识提出了关于它们如何形成的新问题。

为了了解更多信息，研究小组求助于英国杜伦大学的分布式研究使用高级计算(DiRAC)超级计算设施。他们模拟了前驱卫星之间不同碰撞的样子。这些模拟的分辨率比以前的此类研究高100多倍，使用了开源模拟代码SWIFT，为科学家提供了他们对土星系统历史的最佳见解。

土星环今天生活在靠近行星的地方，在所谓的洛希极限内，这是最远的轨道，在这个轨道上，行星的引力足够强大，足以瓦解任何靠近的较大岩石或冰体。更远轨道上的物质会聚集在一起形成卫星。

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可以将适量的冰分散到土星的洛希极限，并在那里形成环。

此外，尽管其他解释无法解释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、论文合著者文森特·埃克说。“当冰冷的祖先卫星相互撞击时，碰撞物体核心的岩石比上面的冰分散得更少。”

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

但是最初是什么引发了这些事件呢？土星的两个前卫星可能被太阳引力的小效应“叠加”到一起，使它们围绕行星的轨道不稳定，从而导致碰撞。在正确的轨道配置中，来自太阳的额外拉力可以产生滚雪球效应——一种“共振”——延长和倾斜卫星通常为圆形和扁平的轨道，直到它们的路径相交，从而导致高速撞击。

土星的卫星土卫五今天的轨道正好超出了卫星会遇到这种共振的地方。像地球的月亮一样，随着时间的推移，土星的卫星从地球向外迁移。所以，如果土卫五是古代的，它会在最近的过去穿越共振。然而，土卫五的轨道非常圆且平坦。这表明它没有经历共振的不稳定效应，相反，它是最近才形成的。

新的研究与土星环最近形成的证据一致，但仍然有很大的未决问题。如果至少有一些土星的冰卫星也是年轻的，那么这对于像恩克拉多斯这样的世界表面下的海洋中的潜在生命来说意味着什么？我们能揭开从撞击前到现在地球原始系统的全部故事吗？基于这项工作的未来研究将帮助我们更多地了解这颗迷人的行星和围绕它的冰冷世界。

这项研究发表在2023年9月26日的《天体物理学杂志:土星环和中型卫星的近期撞击起源》上。