土星环究竟是怎么形成的？


卡西尼探测器拍摄的土星和土星环（局部）。NASA / JPL / 空间科学研究所

最近，一个日本科研小组构建了一个模型，用一种新颖而独特的方式，在电脑上还原了土星环的形成过程。

大约40亿年前，是太阳系发展史上所谓的“晚期大轰炸”阶段。那时，太阳系的许多巨行星发生过轨道转移。而也是在那时，海王星轨道以外的地方，存在着至少数千个体积大约为地球五分之一的天体。这些天体会在巨行星引力的影响下，进入内太阳系，和基本已经成形的行星发生冲突。


卡西尼探测器拍摄的土星和土星环（局部）。NASA / JPL / 空间科学研究所

学者们计算了这些体积相当于冥王星的天体靠近巨行星的概率，以及它们会经受的潮汐力强度。结果发现它们不但和土星、天王星和海王星有多次近距离遭遇的机会，而且这样的遭遇必然会引起这些矮行星解体。

模拟结果还表明，矮行星解体后，它们宽逾数公里的碎片，会被巨行星俘获并在长期演化过程中，经过持续的高速碰撞而变得更小。它们会逐渐进入圆形轨道，最终变成这些巨行星的环。


旅行者2号拍摄的天王星环和它的两个小卫星。NASA / JPL

这一模型也能解释土星环和天王星环成份的差异。天王星和海王星的密度要比土星高，这就意味着小天体在经过时，遭遇到的潮汐力也更强。柯伊伯带天体在经过天王星或海王星时，不但冰质的幔会被撕碎，它们石质的内核也有可能会被摧毁和俘获。因此天王星和海王星环所含的岩石成份更高。但经过土星的矮行星通常只会失去冰质的幔，所以土星环的成份大多是冰。


冥王星是个幸存者。NASA / JHUAPL / SwRI

该研究的另一层意义在于，它表明巨行星的环可能是行星形成过程中的一种自然结果。所以系外行星也有可能会通过相似的方式发展出环。

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