为什么土星的星环是不连续的（土星不同寻常的星环和倾角）

在太阳系中，土星可以说是一个非常神秘的行星，它不但体积巨大，仅次于木星，而且它还拥有让其他行星望尘莫及的巨大星环，就像一个硕大的“草帽”扣在这个气态行星的中央。与此同时，土星的自转平面与太阳系的黄道平面之间，还有一个高达26.7度的倾角，这些不同寻常的特征长期以来一直吸引着天文学家的目光，而天文学家们重点研究的对象，就是土星的上述不同寻常的星环和倾角，到底是如何形成的。

关于土星星环的形成，长期以来，人们认为这些星环是大约45亿年前土星本身形成时留下的物质。而关于土星倾角的形成，在 2000 年代初，科学家们提出了土星的倾斜轴，是土星与海王星发生共振或引力关联的结果。这两个解释虽然从原理上能够解释得通，但是缺乏了必要的观测数据作为支撑。

2004 年至 2017 年，围绕土星运行的美国宇航局卡西尼号宇宙飞船，所带来的观测结果让科学家们不得不重新进行思考。科学家们发现，土星最大的卫星土卫六，正以比预期更快的速度离开土星，每年的速度约为 11 厘米。

土卫六的快速迁移及其与土星之间引力的变化，使科学家们得出结论，正是由于土星卫星的存在，极有可能是造成土星倾斜并使土星与海王星共振的原因。

这种猜测，如果要想得到证实，必须取决于一个主要的未知数-土星的惯性矩，即质量在行星内部的分布方式。物质在土星上的分布，更倾向于核心还是朝向表面，则土星的倾斜可能会有所不同。

为了解决这一问题，麻省理工学院的研究团队开展了一项新研究，利用卡西尼号在其“大结局”中最后一次观测到的一些观测结果，来确定土星的惯性矩，方法简单来说就是绘制整个星球周围的引力场，从而确定行星中的质量分布。

为此，研究团队对土星内部进行了建模，确定了与卡西尼号观测到的引力场相匹配的质量分布，结果让人十分惊讶，他们发现惯性矩使土星接近但刚好在与海王星的共振之外。于是研究的重点，就转变为寻找让土星脱离海王星共振的方法。

团队首先进行了模拟，使土星及其卫星的轨道动力学及时向后发展，以查看现有卫星之间的任何不稳定性是否会影响土星的倾斜，不过模拟的结果显示为“空”，意味着这种情形和土星的倾斜不相关。随后，研究人员重新检查了描述行星进动的数学方程式，即行星的自转轴如何随时间变化。在方程式中，有一项来自所有卫星的贡献，研究团队设想，如果从这个总集合中移除一颗卫星，那么是否会影响土星的运行状态呢？

要从根本上进行验证，那么就必须知道这颗卫星有多大，必须知道它到底经历了什么样的动力才能使土星脱离海王星的共振。为此，研究团队进行了模拟以确定卫星的特性，例如它的质量和轨道半径，以及将土星从共振中击退所需的轨道动力学。最后得出了一个结论，即土星目前的倾斜是与海王星共振的结果，而失去了与土星现在第三大卫星-土卫四几乎同样大小相当的卫星，才使土星拜托了与海王星的共振。

研究团队将这颗“失落”的卫星命名为“蝶蛹”，之所以这么命名，是考虑到它就像蝴蝶的蛹一样，长期处于休眠状态，也就是说同它的“兄弟姐妹”们一起绕土星运行了数十亿年，以一种保持其倾斜度或“倾角”与海王星共振的方式，在土星的引力作用下不断地受到拉扯。

不过这种状态一直持续到大约距今1.6亿年前，这个“蝶蛹”变得不稳定了起来，并且在一次“游荡”相遇中离土星太近，导致脱离了土星卫星群，就像蛹发生了蝶变一样，最后羽化成蝶。

这颗巨大卫星的“逃离”，一方面使土星从海王星的掌控中移开，并使其保持今天的倾斜角度。另一方面，研究人员推测，虽然“蝶蛹”的大部分物质可能与土星发生了撞击并“融入”了土星，但它的一小部分碎片可能仍然悬浮在轨道上，最终分解成冰冷的小块，形成这颗行星的标志性星环。

因此，麻省理工学院的研究团队所进行的上述建模研究，有很大的可能解释了关于土星现在的倾斜角以及土星环形成的原因，而且这颗“失落”的卫星还能暴露土星环的年龄，应该只有1-2亿岁，这要比土星本身年轻的多。如果从“绽放”出无比壮观和美丽的土星环这个角度看，这颗可能存在的土星卫星，并不是“失落”的，它完成了一次华丽的转身和一次美丽的“蝶变”。

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