是“安全区”将巨型卫星拯救了出来，不然土卫六或许就不存在了！

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数值模拟表明，一颗年轻气态巨行星周围气盘中的温度梯度，可能对由单一大卫星主导的卫星系统演化起到关键作用，类似于土星系统中的土卫六。研究人员发现，环行星盘中的尘埃可以形成一个“安全区”，防止卫星在系统演化过程中落入行星。天文学家认为，我们在太阳系中看到的许多卫星，特别是大卫星，都是与母行星一起形成的。


在这种情况下，卫星是由围绕仍在形成中的行星旋转的气体和尘埃形成。但之前的模拟结果要么是所有大卫星都坠落到行星上并被吞噬，要么是多个大卫星依旧存在。在土星周围观察到的情况，有许多小卫星，但只有一个大卫星，不适合这两个模型中的任何一个。名古屋大学指定助理教授藤井由里和日本国家天文台(NAOJ)项目助理教授大原雅弘，通过研究包括灰尘和冰在内的多种不透明度来源：


（上图所示）围绕着一颗巨大气体行星形成的卫星印象图，而这颗行星本身仍在围绕着一颗恒星形成。图片：Nagoya University
创建了一个温度分布更逼真的绕行星盘新模型，然后，分析了盘状气体的压力和其他卫星的重力等因素，模拟了卫星的轨道迁移。模拟显示，有一个“安全区”，在那里卫星会被推离行星。在这一区域，轨道内较热的气体将卫星向外推，防止它落入行星。研究第一次证明，一个只有一颗大卫星围绕着一颗巨行星运行的系统是可以形成的，这是了解土卫六泰坦起源的一个重要里程碑。


（上图所示）模拟结果显示7颗有土卫六质量的假想卫星轨道半径随时间的变化，随着模拟的进行，几乎所有这些卫星都落入了这颗行星，然而，只有最外层的卫星幸存下来，直到圆盘气体消散，这颗卫星暂时停留在“安全区”。图片：Fujii & Ogihara, A&A
然而，很难检验土卫六是否真的经历过这个过程。研究人员设想可以通过对太阳系外行星周围卫星的研究来验证，如果发现许多单行星系统，这种系统的形成机制将成为一个炙手可热的问题。其研究成果《天文学与天体物理学》期刊上，本研究模拟使用的是NAOJ运营的超级计算机集群。本研究已经提出了几种机制来解释卫星系统的形成过程，并认为相对较大的卫星诞生在行星盘中。


众所周知，制造单卫星系统要比多卫星系统或无卫星系统困难得多。研究的目标是找到一种方法，形成一个只有一个大卫星的系统，比如土星周围的土卫六，研究卫星的轨道迁移，卫星的方向和速度取决于环行星盘的性质。研究建立了考虑温度结构影响的耗散环行星盘模型，并计算了土卫六质量卫星在各种环行星盘最终演化阶段的轨道演化。


同时还对最初有多颗卫星的系统进行了N体模拟，看看最终是否仍有卫星系统。以尘埃不透明为特征的盘温结构的径向斜率产生了一块轨道，在此轨道上，土卫六质量的卫星在一定的盘粘度范围内停止向内迁移，甚至向外迁移，帮助最初位于外轨道的卫星留在圆盘中，而那些位于内轨道的卫星落在行星上。首次证明，可以形成只有一个大卫星围绕巨大行星运行的系统，研究的N体模拟表明，在环行星盘的外半径内，卫星的形成效率不高。


博科园｜研究/来自：国立自然科学研究院
参考期刊《天文学与天体物理学》
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