天王星讨人厌的卫星阻碍了天王星星环的发展
电脑模拟结果揭示了天王星27颗卫星中最大的一颗是如何控制发育迟缓的星环的
詹姆斯韦布太空望远镜于2023年2月6日拍摄的天王星放大照片（图源：美国国家航空航天局，欧洲航天局，加拿大航天局，美国太空望远镜科学研究所J. 帕斯夸里）
据设计用来研究星环来源的最新模拟结果显示，天王星5颗主要的卫星牢牢控制着天王星星环的大小，它们把大量的尘埃逐出了天王星系统外。
作为离太阳第七远的行星，天王星因其98°的倾斜而引人注目，这种倾斜是天王星很久以前历史中一次巨大撞击的产物。
加利福尼亚大学河滨分校（UCR）的行星天体物理学教授斯蒂芬卡尼在空间网（Space.com）的电话访谈中说：“我的动力之一就是去寻找天王星星环是否是将天王星弄歪的最初撞击时的产物，结果证明可能不是，因为星环的组成物质尚未出现这么久”。
卡尼和UCR的助手科学家李哲星是一篇新论文的共同作者，这篇论文描述了天王星5颗主卫星（天卫一、天卫二、天卫三、天卫四和天卫五）和星环之间的相互作用。尤其当卫星和星环产生“平运动共振”状态时，相互作用达到峰值。
当外部天体比内部天体的绕轨周期大一整倍时，两个绕轨天体之间会出现一个平运动共振。例如，如果星环颗粒在离天王星一个特定距离上绕轨两周、此时卫星刚好绕轨一周时，它们就会进入引力共振状态。这种共振会导致星环中的物质脱离系统使星环变小。天王星最大质量的2个卫星-直径298英里（480千米）的天卫五和720英里宽（1160千米）的天卫一-造成的共振的影响最大，几乎可以缩短4.3倍行星半径的距离。（天王星的半径是15759英里或25362千米，所以4.3倍行星半径是67700英里或109000千米）。
天王星的环在最初形成时可能更大、更亮，但后来由于卫星的共振作用而减弱。不过天王星依然有星环存在的事实说明天王星系统中有各种来源的尘埃为其进行补充。其中一个主要来源是对其卫星或大或小的撞击。
“撞击对天王星的影响程度尚不明确”卡尼说。“但是[大量质量流失情况下星环却依旧存在]表明这种想法也许比最初设想的可能性更高。”除撞击外，喷射也可能是这个系统中的一种粒子来源。当冰卫星进入共振状态，来自其他卫星的引力潮汐以及天王星内部的弯曲，将会引发低温火山的爆发，导致卫星中的物质喷射出来。
卡尼和李发现，随着尘埃颗粒通过以上任一方式涌入天王星系统，在40倍天王星半径距离内（超过63万公里一点，或大约100万千米），卫星在仅50万年中内就会驱逐约35%的物质。随后质量流失率减慢，变成流失40%/1千万年。
“质量流失率如此之高令人震惊，”卡尼说。“是卫星间的相互作用导致了这种质量流失。”
詹姆斯韦布空间望远镜于2023年2月6日拍摄的天王星全景照片，可以看到它27颗已知卫星中的6颗。（图源：美国国家航空航天局，欧洲航天局，加拿大航天局，美国太空望远镜科学研究所J. 帕斯夸里）
天王星卫星的轨道一直变化让问题变的更加复杂。
“有很多证据表明这些卫星一直移向不同的共振位置，”卡尼说。鉴于有很多靠近天王星进行轨道共振的机会，“随着星环内部的卫星不断的移入移出共振状态，使星环变得更狭窄。”
模拟也表明在两个大的卫星之间更有可能产生稳定的星环轨道。
“试想一下卫星之间嵌入了星环，且卫星造成了星环截断的场景，多么有趣！”卡尼说。
天王星并不是唯一一个这样的行星系统。在2022年，卡尼对具备微弱且狭窄环带的木星进行了一项类似的研究，木星占据了它行星系统的大部分质量。在这项研究中，卡尼发现木星的4颗最大卫星-艾奥（木卫一）、欧罗巴（木卫二）、加尼未（木卫三）和卡利斯托（木卫四）-喷射的大部分尘埃物质也许解释了木星环的形成原因。
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此刻，对木星和天王星的设想尚且只存在理论模型阶段。天王星的一个未来太空飞行任务可以测量出来这个系统流失的质量吗？
“不只是是否有机会可以测量质量流失这一个问题，为了观测到这种质量流失，需要目前已有的质量真的流失，”卡尼说，最近没有地理上的撞击导致尘埃供应减少，“我怀疑目前流失的质量非常之少”。
这种想法将很快得到验证。最近的行星十年规划计划将一个天王星轨道发射任务列为最高优先级，最晚将于2035年发射，在2040年到达既定轨道。这个发射任务将对天王星内部进行研究，测量可能引起它质量流失的引力场。如果天王星系统内存在尘埃，发射器也许可以探测到它们的逃逸。天王星依然是尚未被探索到的太阳系边界，美国国家航空航天局发射的旅行者2号的其中一个任务就是穿过它，未来还有很多激动人心的发现等着我们。
本项研究至今尚未被出版在科学杂志上，可以在arXiv preprint网页上进行查看。
BY:Keith Cooper
FY: 杂七八糟嘿
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