为什么木星环这么薄？

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作者：JEFF HECHT

翻译：杨欣冉

校对：盛衍钧 王清山 涂天宇

编排：简稚珉

后台：胡永葳 李子琦 李鸣晨

https://skyandtelescope.org/astronomy-news/why-are-jupiters-rings-so-thin/

为什么木星作为太阳系中最大的行星，其行星环却如此微弱？新的研究表明，木星的卫星可能是罪魁祸首。

图注：詹姆斯韦布太空望远镜的红外图像清楚地显示了木星的薄环。从左到右的木卫十四（Thebe）、木卫二（Europa）、木卫十六（Metis ）和木卫十五（Adrastea）也是可见的。

图源：NASA/ESA/CSA/Judy Schmidt

大自然给了太阳系中最大的行星一组“贫血”的环。自从望远镜发明以来，土星环就被认为是太阳系的壮丽奇观之一，但在旅行者一号宇宙飞船于1979年3月5日飞过以前，没有人注意到木星也有着同样但微小的行星环结构。

为什么质量只有木星三分之一的土星，其行星环结构反而会更耀眼呢？相比之下，木星环是如此微弱。

图注：上图分别显示了木星卫星和土星卫星的相对大小及其到各自母行星的距离。红色虚线标志着行星的洛希极限，在此范围内，潮汐引力会阻止卫星形成，也会撕裂任何漂移过近的卫星。

图源：Kane & Li 2022

至少部分答案可能是木星最里面的三颗卫星挡住了路。伽利略卫星的计算机模型显示，引起木卫一、木卫二和木卫三保持4:2:1轨道共振效应的引力也会把赤道轨道上可以形成环的尘埃甩出去。

“我一直想知道为什么土星有这些光辉的环。”加州大学河滨分校的斯蒂芬·凯恩说。为了找出木星环不符合标准的原因，他和他的学生李哲兴（同属加州大学河滨分校）开发了一个计算机模型来看看木星的四颗伽利略卫星会对木星周围厚厚的尘埃环产生什么影响。

环是动态的，它们在特定时间的形状和大小取决于它们环绕的行星的质量以及环绕的卫星的历史。在一个称为洛希极限的点内，行星的引力占主导地位，防止卫星形成并撕裂任何漂移得太近的卫星，环也将在那里形成。土星最亮的环位于洛希极限之内，木星的大多数环也是如此。

但是环也可以在洛希极限之外形成，就像它们在土星和木星周围一样。凯恩的团队认为，这就是卫星的引力发挥作用的地方。

木星最里面的三颗大卫星木卫一、木卫二和木卫三的轨道被锁定在一个强烈的周期性共振中：木卫三每绕木星运行一圈，木卫二就绕木星两圈，而木卫一则会绕木星运行四圈。（最外层的木卫四陷入了不同的引力共振：它被潮汐锁定，因此它在运行时始终以同一侧面向木星，就像月球始终以同一侧面向地球一样。）

凯恩的计算机模型表明，内层卫星之间的共振将在一百万年内清除木星自洛希极限至从木星云顶算起28个木星半径范围内的任何尘埃。该区域内只剩下几个小环，一些在木卫三和木卫四的轨道之间，一些在木卫四的轨道附近。当凯恩和李哲兴将他们的模型延长到一千万年时，内环也消失了。

与木卫三和木卫四的轨道共振将在数千万年内清除超过29个木星半径的物质——远远超过木卫四的轨道。该小组的以上研究成果被《行星科学杂志》报道。

图注：艺术家的构想图展示了如果木星的环与土星的环一样宽，木星会是什么样子。如果木星曾经有这样的环，它们也不会持续很长时间。

图源：Stephen Kane/UCR

虽然凯恩指出卫星在洛希极限内几乎没有影响，但模型中未考虑的木星磁场可能会阻止物质聚集在那里。

为了进一步进行比较，凯恩想研究天王星。虽然远不及土星环的明亮，但它的环是第二个在巨行星中被观察到的，而且它们的厚度足以掩盖遥远的恒星。观察者可以使用这些掩星来测量环。

“我们不了解天王星的动力学历史。”凯恩指出。那是因为它向一侧倾斜，赤道垂直于其轨道，这可能是由于很久以前的一次大规模碰撞。不过，研究天王星的卫星和环可以帮助测试他们的理论，搜索系外行星的环可以提供更明确的测试，但只能通过直接成像的方式进行观测，目前这种技术只能用于离我们最近的一些系外行星，更遥远的则超出了目前的技术。

责任编辑：黄婧

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图注：这张由哈勃太空望远镜拍摄的图像显示了人马座球状星团NGC 6638的核心区域。布满恒星的图像强调了球状星团中心恒星的密度，球状星团是稳定的，紧密地结合在一起，由数万到数百万颗恒星组成。

图源：ESA/Hubble & NASA, R. Cohen

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