土星為什么是斜的

編譯 劉安立

土星及其神秘消失的衛星（想象圖）

美麗的土星環

繞著土星旋轉的土星環，清晰地表明土星的自轉軸是傾斜的：土星的自轉軸與土星環繞太陽所在平面之間的夾角為26.7°。那么，土星為什么傾斜自轉呢？

土衛六的作用？

科學家曾提出這樣一個觀點：土星傾斜的自轉軸是土星受海王星引力控制（即與海王星共振）的結果。然而，在2004 年至2017 年環繞土星的“卡西尼號”飛船（以下簡稱“卡西尼號”）的探測數據卻挑戰了這個觀點。這些數據表明，土星最大的衛星泰坦（土衛六）與土星之間的距離每年大約增加11 厘米。這個速度比科學家預想的速度快，而泰坦的快速遷移及它的引力讓科學家猜測——可能是泰坦引起了土星傾斜，以及土星與海王星共振。

土星現有的一些大衛星

但這種觀點取決于一個前提：土星的慣性矩，即土星內部的質量分布模式。在土星質量更多集中于土星核或更多分布于土星表面附近這兩種情況下，土星的傾角會不同。因此，要想確定土星自轉軸傾斜的原因，首先得知道土星內部的質量分布模式。

調查土星慣性矩

在最近的一項研究中，科學家利用“卡西尼號”在其“大結局”期間（在此期間它最靠近土星，目的是精確繪制土星整個引力場圖）進行的最后觀測結果，以此確定土星的慣性矩。事實上，土星引力場與土星慣性矩之間直接相關。

通過對土星內部情況建立模型，科學家辨識了與“卡西尼號”所觀測到的土星引力場匹配的一種土星慣性矩。但他們驚訝地發現，這種慣性矩會讓土星近乎產生與海王星共振，但實際上并沒有共振。這也意味著這兩顆行星曾經可能共振，但現在不再共振。

這顆神秘土衛只存在于科學家的想象中

一顆衛星可能造成了土星自轉軸的傾斜（示意圖）

接著，科學家探索讓土星脫離與海王星共振的方式。他們首先模擬能回溯土星及其衛星演化過程的軌道動力學，以調查現在土星的衛星之間有無任何天然性的不穩定會影響土星的傾角。然而，這個思路行不通。于是，科學家重新審視描述土星歲差（行星自轉軸怎樣隨時間推移而變化）的數學模型。科學家推測：如果土星的一顆衛星脫離了整個土星衛星群體，就可能改變土星的歲差。

一個失去的“蝶蛹”

問題是：這顆衛星的質量得有多大，它具備怎樣的軌道動力學機制，才會使土星脫離與海王星的共振？為了確定這顆土星衛星的質量、軌道半徑以及讓它使土星失去與海王星共振所需的軌道動力學機制等因素，科學家進行了反復模擬。他們最終得出結論：土星目前的傾角是土星與海王星共振及土星失去一顆衛星的共同結果。科學家稱這顆衛星為克利薩里斯（意為“蝶蛹”）。如果克利薩里斯的大小與土星第三大的衛星伊阿珀托斯（土衛八）相仿，它就有可能讓土星不再與海王星共振。

科學家根據最新模擬結果猜測，在環繞土星幾十億年后，大約在1.6 億年前，克利薩里斯進入一個混亂的軌道區域，并與伊阿珀托斯和泰坦擦肩而過（靠得太近），最終與土星擦肩而過，結果被土星的巨大引力撕碎，其中一部分殘骸撞擊土星，還有一部分殘骸環繞土星，最終成為土星環。

神秘衛星可能化為了土星環（想象圖）

尚待進一步檢驗

科學家表示，克利薩里斯的消失既能解釋土星的歲差，也能解釋土星現在的傾角及土星環的成因。之前科學家推測土星環的年齡大約為1 億年，而現在看來土星環沒有這么年輕，但無論怎樣土星環都比土星年輕許多。另外，正因為克利薩里斯在“冬眠”了這么久之后才突然變得活躍，最終導致土星環出現，所以“蝶蛹”這個名稱對它來說正合適。

科學家指出，雖然上述的“蝶蛹”假說可能是迄今對土星傾角和土星環成因的最佳解釋，但該假說尚待更進一步的檢驗，需要更多的證據支持。