計算機模擬土星軌道上兩個冰冷衛星撞擊的靜止圖像。碰撞噴射出的模擬碎片可能會演變成這顆行星標志性的非常年輕的光環。該模擬使用了超過3000萬個粒子，揭示由它們的土星冰或巖石材料著色，使用開源的環和SWIFT模擬代碼運行。鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局/達勒姆大學/格拉斯哥大學/雅各布·凱格爾雷斯/路易斯·特奧多羅
（神秘的冰衛地球uux.cn）據美國宇航局（作者:弗蘭克·塔瓦雷斯，美國宇航局艾姆斯研究中心）：在一個晴朗的起源夜晚，用一架像樣的新的星業余望遠鏡，從地球表面可以看到土星及其一系列非凡的模擬光環。但是揭示這些環是怎么來的呢？關于土星及其衛星——美國宇航局希望尋找生命的潛在地點之一，它們能告訴我們什么？土星一系列新的超級計算機模擬為光環的起源之謎提供了答案——其中涉及一次大規模碰撞，當時恐龍仍在地球上漫游。環和
根據美國宇航局及其合作伙伴的冰衛新研究，土星環可能是起源由幾億年前兩顆冰冷衛星相撞并破碎的碎片演變而來。沒有最終進入光環的新的星碎片也可能有助于一些土星現代衛星的形成。
“我們對土星系統仍有很多不了解，包括它的衛星，這些衛星上可能存在適合生命生存的環境，”位于加州硅谷的美國宇航局艾姆斯研究中心的科學家雅各布·凱格爾雷斯說。“因此，使用這樣的大型模擬來詳細探索它們是如何進化的是令人興奮的。”
美國國家航空航天局的卡西尼任務幫助科學家們了解了從天文學角度來說，土星環和它的一些衛星有多年輕。這一知識提出了關于它們如何形成的新問題。
為了了解更多信息，研究小組求助于英國杜倫大學的分布式研究使用高級計算(DiRAC)超級計算設施。他們模擬了前驅衛星之間不同碰撞的樣子。這些模擬的分辨率比以前的此類研究高100多倍，使用了開源模擬代碼SWIFT，為科學家提供了他們對土星系統歷史的最佳見解。
土星環今天生活在靠近行星的地方，在所謂的洛希極限內，這是最遠的軌道，在這個軌道上，行星的引力足夠強大，足以瓦解任何靠近的較大巖石或冰體。更遠軌道上的物質會聚集在一起形成衛星。
通過模擬近200種不同版本的撞擊，研究小組發現，各種各樣的碰撞場景可以將適量的冰分散到土星的洛希極限，并在那里形成環。
此外，盡管其他解釋無法解釋為什么土星環中幾乎沒有巖石——它們幾乎完全由大塊的冰構成——但這種類型的碰撞可以解釋這一點。
“這種情況自然會導致富含冰的環，”杜倫大學物理系/計算宇宙學研究所副教授、論文合著者文森特·埃克說。“當冰冷的祖先衛星相互撞擊時，碰撞物體核心的巖石比上面的冰分散得更少。”
冰和巖石碎片也會撞擊系統中的其他衛星，有可能導致一連串的碰撞。這種倍增效應可能會破壞環外的任何其他前身衛星，今天的衛星可能就是從這些衛星中形成的。
但是最初是什么引發了這些事件呢？土星的兩個前衛星可能被太陽引力的小效應“疊加”到一起，使它們圍繞行星的軌道不穩定，從而導致碰撞。在正確的軌道配置中，來自太陽的額外拉力可以產生滾雪球效應——一種“共振”——延長和傾斜衛星通常為圓形和扁平的軌道，直到它們的路徑相交，從而導致高速撞擊。
土星的衛星土衛五今天的軌道正好超出了衛星會遇到這種共振的地方。像地球的月亮一樣，隨著時間的推移，土星的衛星從地球向外遷移。所以，如果土衛五是古代的，它會在最近的過去穿越共振。然而，土衛五的軌道非常圓且平坦。這表明它沒有經歷共振的不穩定效應，相反，它是最近才形成的。
新的研究與土星環最近形成的證據一致，但仍然有很大的未決問題。如果至少有一些土星的冰衛星也是年輕的，那么這對于像恩克拉多斯這樣的世界表面下的海洋中的潛在生命來說意味著什么？我們能揭開從撞擊前到現在地球原始系統的全部故事嗎？基于這項工作的未來研究將幫助我們更多地了解這顆迷人的行星和圍繞它的冰冷世界。
這項研究發表在2023年9月26日的《天體物理學雜志:土星環和中型衛星的近期撞擊起源》上。