土星为什么是斜的

编译 刘安立

土星及其神秘消失的卫星（想象图）

美丽的土星环

绕着土星旋转的土星环，清晰地表明土星的自转轴是倾斜的：土星的自转轴与土星环绕太阳所在平面之间的夹角为26.7°。那么，土星为什么倾斜自转呢？

土卫六的作用？

科学家曾提出这样一个观点：土星倾斜的自转轴是土星受海王星引力控制（即与海王星共振）的结果。然而，在2004 年至2017 年环绕土星的“卡西尼号”飞船（以下简称“卡西尼号”）的探测数据却挑战了这个观点。这些数据表明，土星最大的卫星泰坦（土卫六）与土星之间的距离每年大约增加11 厘米。这个速度比科学家预想的速度快，而泰坦的快速迁移及它的引力让科学家猜测——可能是泰坦引起了土星倾斜，以及土星与海王星共振。

土星现有的一些大卫星

但这种观点取决于一个前提：土星的惯性矩，即土星内部的质量分布模式。在土星质量更多集中于土星核或更多分布于土星表面附近这两种情况下，土星的倾角会不同。因此，要想确定土星自转轴倾斜的原因，首先得知道土星内部的质量分布模式。

调查土星惯性矩

在最近的一项研究中，科学家利用“卡西尼号”在其“大结局”期间（在此期间它最靠近土星，目的是精确绘制土星整个引力场图）进行的最后观测结果，以此确定土星的惯性矩。事实上，土星引力场与土星惯性矩之间直接相关。

通过对土星内部情况建立模型，科学家辨识了与“卡西尼号”所观测到的土星引力场匹配的一种土星惯性矩。但他们惊讶地发现，这种惯性矩会让土星近乎产生与海王星共振，但实际上并没有共振。这也意味着这两颗行星曾经可能共振，但现在不再共振。

这颗神秘土卫只存在于科学家的想象中

一颗卫星可能造成了土星自转轴的倾斜（示意图）

接着，科学家探索让土星脱离与海王星共振的方式。他们首先模拟能回溯土星及其卫星演化过程的轨道动力学，以调查现在土星的卫星之间有无任何天然性的不稳定会影响土星的倾角。然而，这个思路行不通。于是，科学家重新审视描述土星岁差（行星自转轴怎样随时间推移而变化）的数学模型。科学家推测：如果土星的一颗卫星脱离了整个土星卫星群体，就可能改变土星的岁差。

一个失去的“蝶蛹”

问题是：这颗卫星的质量得有多大，它具备怎样的轨道动力学机制，才会使土星脱离与海王星的共振？为了确定这颗土星卫星的质量、轨道半径以及让它使土星失去与海王星共振所需的轨道动力学机制等因素，科学家进行了反复模拟。他们最终得出结论：土星目前的倾角是土星与海王星共振及土星失去一颗卫星的共同结果。科学家称这颗卫星为克利萨里斯（意为“蝶蛹”）。如果克利萨里斯的大小与土星第三大的卫星伊阿珀托斯（土卫八）相仿，它就有可能让土星不再与海王星共振。

科学家根据最新模拟结果猜测，在环绕土星几十亿年后，大约在1.6 亿年前，克利萨里斯进入一个混乱的轨道区域，并与伊阿珀托斯和泰坦擦肩而过（靠得太近），最终与土星擦肩而过，结果被土星的巨大引力撕碎，其中一部分残骸撞击土星，还有一部分残骸环绕土星，最终成为土星环。

神秘卫星可能化为了土星环（想象图）

尚待进一步检验

科学家表示，克利萨里斯的消失既能解释土星的岁差，也能解释土星现在的倾角及土星环的成因。之前科学家推测土星环的年龄大约为1 亿年，而现在看来土星环没有这么年轻，但无论怎样土星环都比土星年轻许多。另外，正因为克利萨里斯在“冬眠”了这么久之后才突然变得活跃，最终导致土星环出现，所以“蝶蛹”这个名称对它来说正合适。

科学家指出，虽然上述的“蝶蛹”假说可能是迄今对土星倾角和土星环成因的最佳解释，但该假说尚待更进一步的检验，需要更多的证据支持。