Saturnus ringar är cirka 100 miljoner år gamla, men det är oklart hur de kunde ha bildats så nyligen. Den bältade jätten roterar i en 26.7-graders vinkel i förhållande till planet där den kretsar runt solen.
Eftersom Saturnus lutning precesserar, som en snurra, i nästan samma takt som Neptunus bana, har astronomer länge antagit att denna lutning beror på gravitationsinteraktioner med sin granne Neptune.
Medan de två planeterna en gång kan ha varit synka, astronomer kl MIT och andra universitet har upptäckt det Saturn har sedan dess undgått Neptunus dragningskraft.
Vad orsakade denna omställning av planeterna?
Teamet kommer med en ny hypotes. De föreslog att Saturnussystemet tidigare innehöll en extra måne vid namn Chrysalis. Tillsammans med andra månar, Chrysalis kretsade runt Saturnus i flera miljarder år och drog och drog i planeten på ett sätt som höll sin lutning, eller "sned" i resonans med Neptunus.
Chrysalis tros dock ha blivit instabil för cirka 160 miljoner år sedan och kom för nära sin planet i ett betesmöte, som slet isär satelliten. Förlusten av månen var tillräcklig för att befria Saturnus från Neptunus drag och ge den dagens lutning. Dessutom kunde en bråkdel av Chrysalis-fragmenten ha förblivit svävande i omloppsbana, och så småningom bryts upp i små isiga bitar för att bilda planetens signaturringar.
Astronomer föreslår att denna saknade måne kan förklara två långvariga mysterier: Saturnus nuvarande lutning och åldern på dess ringar, som uppskattades vara cirka 100 miljoner år gamla - mycket yngre än själva planeten.
Jack Wisdom, professor i planetvetenskap vid MIT och huvudförfattare till den nya studien, sa: "Precis som en fjärils puppa var den här satelliten länge vilande och blev plötsligt aktiv, och ringarna kom fram."
Under det tidiga 2000-talet antog forskare att Saturnus hade en lutande axel på grund av dess gravitationsresonans eller samband med Neptunus. Cassini, en NASA-rymdfarkost som kretsade runt Saturnus från 2004 till 2017, gjorde dock upptäckter som gav problemet en ny vinkel. titan, Saturnus största satellit, upptäcktes att migrera från Saturnus med en hastighet av ungefär 11 centimeter per år, vilket var snabbare än väntat. Denna snabba migration och dess gravitationskraft gjorde det möjligt för forskare att dra slutsatsen att månen troligen var ansvarig för att luta och hålla Saturnus i resonans med Neptunus.
Jack Wisdom, professor i planetvetenskap vid MIT och huvudförfattare till den nya studien, sa: "För att göra framsteg med problemet var vi tvungna att bestämma Saturnus tröghetsmoment."
I denna nya studie försökte forskare fastställa Saturnus tröghetsmoment med hjälp av några av de sista observationerna som Cassini gjorde i dess "Grand Finale", en fas av uppdraget under vilken rymdfarkosten gjorde en extremt nära inställning för att exakt kartlägga gravitationsfältet runt hela planeten. Gravitationsfältet kan användas för att bestämma massans fördelning på planeten.
De modellerade Saturnus inre och identifierade en massfördelning som matchade gravitationsfältet som Cassini observerade. Överraskande nog placerade detta nyligen identifierade tröghetsmoment Saturnus nära men strax utanför resonansen med Neptunus. Planeterna kan en gång ha varit synkroniserade men är det inte längre.
De började med att utföra simuleringar för att utveckla omloppsdynamiken Saturnus och dess månar bakåt i tiden. De ville avgöra om någon naturlig instabilitet bland de befintliga satelliterna kunde ha påverkat planetens lutning. Den här sökningen blev tom.
För att bättre förstå hur en planets rotationsaxel förändras över tiden, känd som precession, undersökte forskarna de matematiska ekvationerna som beskriver den. En term i denna ekvation har bidrag från alla satelliter. Teamet resonerade att om en satellit togs bort från denna summa kan det påverka planetens precession.
Genom att köra simuleringar bestämde forskare egenskaperna hos Chrysalis, inklusive dess massa och omloppsradie, och den orbitala dynamik som skulle krävas för att slå Saturnus ur resonansen. De drar slutsatsen att resonansen mellan Saturnus och Neptunus orsakade planetens nuvarande lutning, och förlusten av satelliten Chrysalis, ungefär lika stor som Saturnus tredje största måne Iapetus, gjorde att Saturnus kunde undvika resonansen.
Forskare noterade, "Någon gång för mellan 200 och 100 miljoner år sedan gick Chrysalis in i en kaotisk omloppszon, upplevde flera nära möten med Iapetus och Titan och kom så småningom för nära Saturnus, i ett betesmöte som slet satelliten i bitar och lämnade en liten bråkdel till ringa runt planeten som en skräpbeströdd ring.”
"Förlusten av Chrysalis förklarar Saturnus precession och dess nuvarande lutning, såväl som den sena bildandet av dess ringar."
Visdom sade, "Det är en ganska bra historia, men som alla andra resultat måste den granskas av andra. Men det verkar som att den här förlorade satelliten bara var en puppa som väntade på att få sin instabilitet.”
Tidskriftsreferens:
- Jack Wisdom et al. Förlust av en satellit kan förklara Saturnus snedställning och unga ringar. VETENSKAP. DOI: 10.1126/science.abn1234
