天王星的环正在被它的讨厌的卫星拉住

By Keith Cooper

2023/10/31

   Science & Astronomy

    计算机仿真显示天王星的27颗卫星中最大的一颗怎样能够来保持检查这颗行星的发育不良的环。

2023年2月6日一幅被詹姆斯·韦伯太空望远镜看到的天王星放大图像。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI, J. DePasquale (STScI))

    按照被设计来弄清楚这些环可能已经来自哪里的新仿真，天王星的环的大小被天王星的五颗主要卫星控制，这些卫星能够甩出大量的天王星系统的尘埃。

    天王星是从太阳的第七颗行星，以它的被倾斜靠它的边98度是值得注意的，这是在天王星历史中很久以前一个巨大撞击的遗产。

    加州大学河滨分校（UCR）行星天体物理学教授斯蒂芬凯恩在接受太空网站电话采访时说，“我的动机之一是来找出是否天王星的环是来自敲了天王星靠它的边的原始撞击的产物，答案原来是可能的不，因为环物质只是不会长时间悬着”。

    凯恩和加州大学河滨分校行星科学家李哲兴（Zhexing Li）是一篇描述天王星的五个主要卫星------乌木布列尔（Umbriel）、泰坦尼亚（Titania）、澳博伦（Oberon）、米兰达（Miranda）和阿列尔（Ariel）------与环之间的相互作用的新论文的作者。特别的，当卫星们与环处于“平均运动共振”中时相互作用在它们的峰值。

    外部天体的轨道周期比内体的轨道周期大一个整数时两个环绕的天体之间的一个平均运动共振发生。例如，如果一颗卫星每两次环绕做出一个被在距离天王星一定距离处的环粒子完成的轨道，它们落入引力共振。这种共振能引领环物质出系统并截断天王星环系统的尺寸。它的与天王星最内两颗大卫星------298英里宽（480公里）的米兰达和720英里宽（1160公里）的阿列尔------的共振有最大的影响，在一个4.3行星半径的距离严重的截断环。（天王星的半径是 15759 英里或 25362 公里，因此 4.3 行星半径是 67700 英里或 109000 公里）。

    天王星的环当它们最初形成时可能一直更大更亮，但后来已经被卫星的冲刷效应减小了。天王星仍然有环的事实提示它们正在被天王星系统中的各种尘埃来源补充。一个主要来源是对卫星的大大小小的撞击。

    凯恩说，“对天王星撞击率是什么仍然相对的未知，但尽管有这种质量损失环的存在确实提示它可能比最初想的更高”。

   除撞击外，排气还可能贡献到系统中颗粒的供应。当冰卫星进入共振时来自其他卫星和天王星本身的引力潮汐能弯曲它们的内部，鼓动导致物质从卫星嗝出冰火山活动。

    凯恩和李发现，从上述方法之一跟随一个尘埃颗粒流入天王星系统，卫星能够在短短五十万年内在天王星40个行星半径（略高于630000英里或约100万公里）的距离内驱逐35%的那个物质。然后质量损失的速度减慢并在数千万年后达到40%。

    凯恩说，“我对这种质量损失率是多高感到惊讶，是卫星之间的相互作用造成这种质量损失”。

2023 年 2 月 6 日，由詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的天王星全尺寸广角照片显示天王星 27 颗已知卫星中的 6 颗。(Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI, J. DePasquale (STScI))

    更复杂的是，天王星卫星的轨道已经随着时间变化了。

    凯恩说，“有很多随着时间它们已经移动进入不同的共振位置的证据”。鉴于对共振轨道更接近天王星有更多机会，“在过去随这些内卫星移动进出共振环截断会一直更严重的”。

    仿真还表明对环有机会在大卫星的轨道之间有稳定的轨道。

   凯恩说，“来考虑那会已经看起来是什么样子是非常有趣的，卫星被嵌入环中，卫星雕刻出这些间隙”。

    天王星并不是唯一一个来像这样行为的行星系统。2022年，凯恩对木星进行了一个类似的研究，木星有非常微弱和薄的环，掩盖木星的巨大质量。在这项研究中，凯恩发现了木星的四颗大型伽利略卫星------木卫一、木卫二、木卫三和木卫四------对甩出否则可能会发现它的进入环的途径的大部分尘埃物质负责。

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    目前，木星和天王星的场景只存在于理论建模中。未来的到天王星使命实际的能从系统测量这种质量损失吗？

   凯恩说，“这更是一个是否有机会那个时候测量质量损失的问题，因为为来观测质量损失，在那里需要是质量存在被损失的”。没有一个地质上最近的撞击来补充灰尘供应，“我会怀疑目前损失的质量是非常小的”。

    想法能够很快来检验。最近的行星十年勘查将天王星轨道飞行器使命列为重中之重，最迟在2030年代中期发射，在2040年代到达天王星。该使命将研究天王星的内部，测量它的引力场，这反过来将影响质量损失率。如果系统中有灰尘，一个轨道飞行器甚至可以检测到它逃逸。由于天王星仍然是太阳系中一个相对未被探索的前沿，只有一项使命（美国宇航局的旅行者2号）已经短暂飞过它，未来在那里可能会有许多令人兴奋的发现等待着我们。

    该研究尚未发表在科学期刊上。它在 arXiv preprint website可利用。