木星和土星是太陽系中最大的兩顆行星,它們都擁有龐大而多樣的衛(wèi)星系統(tǒng)。
目前統(tǒng)計(jì),木星擁有超過101顆衛(wèi)星,大型衛(wèi)星:4 顆,木衛(wèi)一(伊奧)、木衛(wèi)二(歐羅巴)、木衛(wèi)三(蓋尼米德)和木衛(wèi)四(卡利斯托),其中木衛(wèi)三是太陽系中最大的衛(wèi)星。
而土星的衛(wèi)星數(shù)量是木星的兩倍多,已知衛(wèi)星超過280多顆。大型衛(wèi)星:1 顆(土衛(wèi)六 “泰坦”),它是太陽系中第二大衛(wèi)星。
那么為什么木星擁有的大型衛(wèi)星比土星多?
由于這兩顆行星都是氣態(tài)巨行星,且被認(rèn)為具有相似的形成歷史,因此造成這種差異的原因長期以來一直是天文學(xué)家的謎團(tuán)。
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木星的四顆最大衛(wèi)星被稱為伽利略衛(wèi)星。這張合成圖像從左至右依次為:木衛(wèi)一(伊奧)、木衛(wèi)二(歐羅巴)、木衛(wèi)三(蓋尼米德)和木衛(wèi)四(卡利斯托)
這促使中日兩國的研究人員開展合作,旨在建立一個(gè)物理上自洽的模型來解釋多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)。通過考慮磁吸積,他們證明,年輕氣態(tài)巨行星吸積盤中磁層空腔的形成可以解釋這兩個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)之間的差異。
該團(tuán)隊(duì)由京都大學(xué)人類環(huán)境研究科和名古屋大學(xué)理學(xué)研究科的研究員藤井由里(Yuri I. Fujii)領(lǐng)導(dǎo)。團(tuán)隊(duì)成員包括上海交通大學(xué)和東京工業(yè)大學(xué)暗物質(zhì)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的副教授荻原正弘(Masahiro Ogihara),以及岡山大學(xué)和日本三鷹天體生物學(xué)中心的副教授堀康典(Yasunori Hori)。
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參 考 圖
近年來,科學(xué)家們一直在重新思考衛(wèi)星形成模型,這在很大程度上要?dú)w功于對(duì)恒星磁場(chǎng)作用的研究。
在這個(gè)過程中,行星的磁場(chǎng)控制著周圍物質(zhì)如何落到行星上并形成結(jié)構(gòu)。“檢驗(yàn)行星形成理論有些困難,因?yàn)槲覀冎挥刑栂悼梢宰鳛閰⒖迹覀兏浇泻芏嘈l(wèi)星系統(tǒng),我們可以觀測(cè)它們的詳細(xì)特征,”藤井說道。
為了確定木星和土星的熱特性和磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況,藤井和他的同事們對(duì)年輕氣態(tài)巨行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。他們還利用日本國立天文臺(tái)(NAOJ)計(jì)算天體物理中心的PC集群,對(duì)這兩顆行星周圍的環(huán)行星盤、衛(wèi)星的形成和軌道遷移進(jìn)行了模擬。
他們的研究結(jié)果表明,這兩個(gè)系統(tǒng)之間的差異可以用行星磁場(chǎng)的強(qiáng)度來解釋。以木星為例,其強(qiáng)大的磁場(chǎng)(太陽系中最強(qiáng),磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)417微特斯拉)在其環(huán)行星盤中形成了一個(gè)磁層空腔,很可能正是這個(gè)空腔捕獲了木衛(wèi)一、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三。
相比之下,土星的磁場(chǎng)(21微特斯拉)太弱,無法形成空腔,因此在其環(huán)行星盤中遷移的衛(wèi)星無法生存。
這些發(fā)現(xiàn)或許也能解釋為何木衛(wèi)四(卡利斯托)不具備木衛(wèi)一(伊奧)、木衛(wèi)二(歐羅巴)和木衛(wèi)三(蓋尼米德)那樣的特征性軌道共振(1:2:4)。
它們也為未來的系外行星研究奠定了基礎(chǔ),包括對(duì)系外衛(wèi)星和年輕氣態(tài)巨行星周圍星周盤的觀測(cè)。
次要因素:質(zhì)量、位置與演化。木星質(zhì)量是土星的3.3 倍,引力場(chǎng)更強(qiáng)、范圍更廣(希爾球更大)。
質(zhì)量與木星相近(或更大)的氣態(tài)巨行星更有可能演化成緊湊的多衛(wèi)星系統(tǒng),而類似土星的氣態(tài)巨行星則更有可能形成一到兩顆大型衛(wèi)星和幾顆小型衛(wèi)星。研究團(tuán)隊(duì)期待將這一理論擴(kuò)展到其他衛(wèi)星系統(tǒng)(如天王星和海王星)以及潛在的系外衛(wèi)星系統(tǒng)。
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