Các vành đai của Sao Thổ có niên đại khoảng 100 triệu năm tuổi, nhưng không rõ bằng cách nào mà chúng có thể hình thành gần đây như vậy. Người khổng lồ có dây đai quay với góc 26.7 độ so với mặt phẳng mà nó quay quanh mặt trời.
từ Độ nghiêng của sao Thổ tiền xử lý, giống như một con quay, với tốc độ gần giống như quỹ đạo của Sao Hải Vương, các nhà thiên văn từ lâu đã đưa ra giả thuyết rằng độ nghiêng này là kết quả của các tương tác hấp dẫn với người hàng xóm của nó. Neptune.
Trong khi hai hành tinh có thể đã từng đồng bộ, các nhà thiên văn học tại MIT và các trường đại học khác đã phát hiện ra rằng Saturn kể từ đó đã tránh được sức kéo của Hải Vương tinh.
Điều gì đã gây ra sự sắp xếp lại của các hành tinh?
Nhóm nghiên cứu đưa ra một giả thuyết mới. Họ đề xuất rằng hệ thống Sao Thổ trước đây có chứa thêm một mặt trăng tên là Chrysalis. Cùng với mặt trăng khác, Chrysalis quay quanh sao Thổ trong vài tỷ năm, kéo và kéo hành tinh này theo cách giữ nguyên độ nghiêng của nó, hay còn gọi là "độ xiên", cộng hưởng với sao Hải Vương.
Tuy nhiên, Chrysalis được cho là đã trở nên không ổn định cách đây khoảng 160 triệu năm và đến quá gần hành tinh của nó trong một cuộc chạm trán, khiến vệ tinh này bị xé toạc. Việc mất mặt trăng đủ để giải phóng sao Thổ khỏi lực kéo của sao Hải Vương và tạo cho nó độ nghiêng như ngày nay. Hơn nữa, một phần nhỏ các mảnh vỡ của Chrysalis có thể vẫn lơ lửng trên quỹ đạo, cuối cùng vỡ thành các khối băng giá nhỏ để tạo thành các vành đai đặc trưng của hành tinh.
Các nhà thiên văn cho rằng mặt trăng mất tích này có thể giải thích hai bí ẩn lâu nay: độ nghiêng ngày nay của sao Thổ và tuổi của các vành đai của nó, ước tính khoảng 100 triệu năm tuổi - trẻ hơn nhiều so với chính hành tinh này.
Jack Wisdom, giáo sư khoa học hành tinh tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết, "Cũng giống như chrysalis của một con bướm, vệ tinh này đã không hoạt động trong một thời gian dài và đột nhiên hoạt động, và các vòng tròn nổi lên."
Trong đầu những năm 2000, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng sao Thổ có trục nghiêng là do cộng hưởng hấp dẫn hoặc kết nối với sao Hải Vương. Tuy nhiên, Cassini, một tàu vũ trụ của NASA đã quay quanh Sao Thổ từ năm 2004 đến năm 2017, đã có những khám phá mang lại cho vấn đề một góc mới. Titan, Vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ, được phát hiện đang di chuyển từ Sao Thổ với tốc độ khoảng 11 cm mỗi năm, nhanh hơn dự đoán. Sự di cư nhanh chóng này và lực hấp dẫn của nó cho phép các nhà khoa học kết luận rằng mặt trăng có khả năng chịu trách nhiệm cho việc nghiêng và giữ sao Thổ cộng hưởng với sao Hải Vương.
Jack Wisdom, giáo sư khoa học hành tinh tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu mới, cho biết, "Để đạt được tiến bộ trong vấn đề, chúng tôi phải xác định mômen quán tính của sao Thổ."
Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học đã tìm cách xác định mômen quán tính của Sao Thổ bằng cách sử dụng một số quan sát cuối cùng do Cassini thực hiện trong "Grand Finale" của nó, một giai đoạn của sứ mệnh trong đó tàu vũ trụ đã thực hiện một cách tiếp cận cực kỳ gần để lập bản đồ chính xác trường hấp dẫn xung quanh toàn bộ hành tinh. Trường hấp dẫn có thể được sử dụng để xác định sự phân bố khối lượng trên hành tinh.
Họ đã lập mô hình bên trong của Sao Thổ và xác định sự phân bố khối lượng phù hợp với trường hấp dẫn mà Cassini quan sát được. Điều đáng ngạc nhiên là thời điểm quán tính mới được xác định này đã đặt Sao Thổ gần nhưng ngay bên ngoài vùng cộng hưởng với Sao Hải Vương. Các hành tinh có thể đã từng đồng bộ nhưng không còn nữa.
Họ bắt đầu bằng cách thực hiện các mô phỏng để phát triển động lực học quỹ đạo của Sao Thổ và các mặt trăng của nó lạc hậu về thời gian. Họ muốn xác định xem liệu có bất kỳ sự bất ổn tự nhiên nào trong số các vệ tinh hiện có có thể ảnh hưởng đến độ nghiêng của hành tinh hay không. Tìm kiếm này trống.
Để hiểu rõ hơn về cách trục quay của một hành tinh thay đổi theo thời gian, được gọi là tuế sai, các nhà khoa học đã nghiên cứu lại các phương trình toán học mô tả nó. Một số hạng trong phương trình này có sự đóng góp của tất cả các vệ tinh. Nhóm nghiên cứu lý luận rằng nếu một vệ tinh bị loại bỏ khỏi tổng số này, nó có thể ảnh hưởng đến tuế sai của hành tinh.
Bằng cách chạy mô phỏng, các nhà khoa học đã xác định được các đặc tính của Chrysalis, bao gồm khối lượng và bán kính quỹ đạo của nó cũng như động lực học quỹ đạo cần thiết để đánh bật Sao Thổ ra khỏi hiện tượng cộng hưởng. Họ kết luận rằng sự cộng hưởng giữa Sao Thổ và Sao Hải Vương gây ra độ nghiêng hiện tại của hành tinh, và việc mất vệ tinh Chrysalis, gần bằng kích thước của mặt trăng lớn thứ ba Iapetus của Sao Thổ, đã cho phép Sao Thổ tránh được sự cộng hưởng.
Các nhà khoa học ghi nhận, “Khoảng từ 200 đến 100 triệu năm trước, Chrysalis đi vào một vùng quỹ đạo hỗn loạn, trải qua một số cuộc chạm trán gần gũi với Iapetus và Titan, và cuối cùng đến quá gần Sao Thổ, trong một cuộc chạm trán đã xé toạc vệ tinh thành từng mảnh nhỏ, để lại một phần nhỏ vòng quanh hành tinh như một chiếc vòng rải rác. "
"Sự mất mát của Chrysalis giải thích sự tuế sai của Sao Thổ, và độ nghiêng ngày nay của nó, cũng như sự hình thành muộn của các vành đai của nó."
Wisdom nói, “Đó là một câu chuyện khá hay, nhưng giống như bất kỳ kết quả nào khác, nó sẽ phải được xem xét bởi những người khác. Nhưng có vẻ như vệ tinh bị mất này chỉ là một chrysalis, đang chờ đợi sự bất ổn định của nó ”.
Tạp chí tham khảo:
- Jack Wisdom và cộng sự. Việc mất vệ tinh có thể giải thích cho sự mất tích và các vành đai trẻ của Sao Thổ. KHOA HỌC. DOI: 10.1126 / science.abn1234
