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Titan is Migrating Away from Saturn 100 Times Faster than Previously Predicted

按照地球的标准,土星的卫星土卫六是个奇怪的地方。土卫六比水星大,它被厚厚的大气层包裹着(它是太阳系中唯一有大气层的卫星),并且被像甲烷和乙烷这样的液态碳氢化合物的河流和海洋所覆盖。在这些岩石的下面是一层厚厚的水冰外壳,下面可能是液态水海洋,有可能孕育生命。

现在,几十年的测量和计算表明,泰坦围绕土星的轨道正在扩大——也就是说,月球正以比预期快100倍的速度离土星越来越远。研究表明,土卫六诞生时离土星更近,并在45亿年的时间里迁移到目前距离土星120万公里(约746,000英里)的地方。

这一发现发表在6月8日的《自然天文学》杂志上。

"美国加州理工学院理论天体物理学助理教授、新论文的合著者吉姆·富勒说,之前的大部分工作都预测,像土卫六或木星的卫星木卫四这样的卫星,是在与我们现在看到它们的轨道距离相似的地方形成的。这意味着土星的卫星系统,可能还有土星的光环,已经形成和发展得比以前认为的更加动态

要了解轨道迁移的基本原理,我们可以看看我们自己的月球。地球的月球在轨道运行时对地球施加微小的引力。这就是引起潮汐的原因:月球有节奏的拉扯导致地球的海洋从一边到另一边隆起。地球内部的摩擦过程将部分能量转化为热能,扭曲了地球的重力场,从而拉着月球在轨道上前进。这导致月球获得能量并逐渐远离地球,以每年3.8厘米的速度。这个过程确实是渐进的;直到大约60亿年后,地球和月球都被太阳吞没,地球才会取代月球。

土卫六对土星也有类似的引力,但由于土星的气体成分,土星内部的摩擦过程通常被认为比地球内部的要弱。标准理论预测,由于它与土星的距离,土卫六应该会以每年最多0.1厘米的缓慢速度向外迁移。但新的结果与这一预测相矛盾。

在《自然天文学》杂志的论文中,两组研究人员分别使用不同的技术在10年内测量了泰坦的轨道。其中一项被称为天体测量的技术可以精确测量出卡西尼号太空船拍摄的照片中泰坦与背景恒星的相对位置。另一项技术是辐射测量法,它测量了卡西尼受到土卫六引力影响时的速度。

"研究的第一作者瓦莱里·莱尼说:“通过使用两套完全独立的数据集——天文测量和放射测量——以及两种不同的分析方法,我们得到了完全一致的结果。”瓦莱里·莱尼曾在喷气推进实验室(加州理工学院为NASA管理)工作,现在在PSL大学巴黎天文台工作。Lainey和天体测量小组一起工作。

这些结果也与富勒在2016年提出的理论一致,他预测泰坦的迁移速率将比标准潮汐理论估计的要快得多。他的理论指出,土卫六预计会以特定的频率对土星施加引力,使土星剧烈振荡,就像在秋千上摆动双腿,适时摆动可以使你越来越高。这种潮汐强迫的过程称为共振锁定。富勒提出,土星的高振幅振荡会耗散大量能量,从而导致土卫六以比之前认为的更快的速度向外迁移。事实上,观测都发现土卫六正以每年11厘米的速度离开土星,比之前理论预测的速度快100多倍。

共振锁定理论可以应用于许多天体物理系统。富勒说:“我现在正在做一些理论工作,看看同样的物理现象是否会发生在双星系统或系外行星系统中。”

这篇论文的题目是",巨行星的共振锁定,由土卫六的快速轨道扩张所显示。"第一作者是JPL和巴黎天文台机械和天文研究所(IMCCE)的Valery Lainey。其他共同作者是意大利博洛尼亚大学的Luis Gomez Casajus、Marco Zannoni、Paolo Tortora和Dario Modenini;伦敦玛丽皇后大学的尼古拉斯·库珀和卡尔·默里;JPL的Ryan Park;IMCCE和IPSA的文森特·罗伯特;来自中国广州暨南大学的张庆峰。这项工作得到了国际空间科学研究所、意大利航天局、罗斯希尔斯创新基金、斯隆基金会、英国科学技术设施委员会、巴黎天文台科学委员会和中国国家自然科学基金的资助。

卡西尼号任务是美国航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局的合作项目。喷气推进实验室为位于华盛顿特区的美国宇航局科学任务理事会管理这项任务

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