木星最大的卫星可能由尘埃形成

天文学家们借鉴研究系外行星获得的见解，提出了一项解释木星所有伽利略卫星形成的新理论。由加州理工学院的 Konstantin Batygin 领导的团队随后利用该理论创建了模拟卫星形成的计算机模拟。结果——至少可以说——很有希望。

正如 Batygin 告诉《天文学》杂志的，这些模拟中有一个运行得如此接近现实，以至于他“不得不仔细检查”。他说，这太令人震惊了，“我出去跑了一圈来冷静下来。回来后，又看了一遍。”

研究人员讲述了一个关于这些巨行星卫星如何从太阳系最初形成时遗留下来的微小冰尘颗粒中，一个接一个地构建自身的故事。一旦足够大，每颗卫星就会向内迁移，最终稳定在类似时钟般精确的轨道上。

这项新研究于 5 月 18 日发表在《天体物理学杂志》上。

新理论的必要性

过去试图理解行星和卫星起源的尝试都是为了解释我们自己的太阳系。但当我们将这些理论应用于过去几十年发现的令人眼花缭乱的系外行星系统时，它们却失效了。

Batygin 说：“过去二十年的系外行星革命彻底重写了行星形成的叙事。”他将其比作成为一名空手道大师，然后走出自己的道场，了解到世界各地所练习的许多其他武术。

因此，基于最新的系外行星数据，Batygin 认为现在是时候重写我们对卫星形成的理解了。

他说：“迄今为止关于卫星形成的最好的模型是在二十年前提出的，而现在已经有了很多进步。‘为什么会有这些冰卫星？’这个问题，我们却了解得少得令人尴尬。”

制造木星的卫星

为了帮助揭示卫星之谜，Batygin 与法国蔚蓝海岸天文台的 Alessandro Morbidelli 一起，着手解释我们太阳系中最大的行星——木星——是如何拥有它的卫星的。

他们的新理论描绘了一幅年轻木星周围环绕着一个被称为“行星周围盘”的气体盘的景象。Batygin 说，在早期，随着物质在太阳系中循环，木星的行星周围盘充当了一个“尘埃陷阱”，捕获了微小的冰质物质颗粒（直径约 0.4 英寸，或 10 毫米）。

随着时间的推移，圆盘中的冰尘数量不断增加，导致颗粒之间的碰撞和合并越来越多。最终，无数的“卫星胚胎”（直径约 62 英里，或 100 公里）开始形成。这些天体继续进一步聚集，直到最终长成一颗成熟卫星的胚胎。

Spiral Jupiter — 随着小碎片群在绕木星运行时相互作用，行星周围盘产生了传播的密度波。根据 Batygin 的说法，这类似于星系的旋臂形成方式，意味着年轻的木星周围很可能有一个螺旋状的图案。然而，Batygin 告诉《天文学》杂志，即使当时地球存在（它在大约 9000 万年后形成，比木星的卫星晚），螺旋状图案也会被我们之间数百万英里的气体所遮挡。这张精美的、高分辨率的模拟图展示了年轻系外行星 PDS 70 c 周围的这样一个盘。（图片来源：M. Schulik 等人）
M. Schulik 等人

当这颗最初增长的卫星在尘埃盘中运行时，它会在其路径上留下螺旋状的尾迹。这个尾迹以及圆盘中剩余气体的阻力增加，会持续将卫星拉近木星。最终，新生的卫星到达圆盘的内缘，脱离了进料区，并如论文所述，停止了其向内的“迁移之旅”。

最后，这个过程重复发生，导致了木星四颗伽利略卫星的依次形成，从内向外工作。根据 Batygin 的说法，木星最近的卫星——木卫一和木卫二——仅在约 6,000 年内形成。下一个最近的木卫三花了大约 30,000 年。

然而，根据该理论，当冰冷的木卫四开始聚集时，不断增强的太阳已经蒸发了木星圆盘中最初存在的许多气体。因此，尽管木卫四在短短 50,000 年内达到了其最终质量的一半，但它却用了将近 900 万年才聚集了其余部分。

相同，但不同

虽然该理论的某些元素以前就被提出过，但 Batygin 表示，他们的版本包括对“尘埃陷阱”工作原理的新理解。他们声称，这解决了长期存在的难题，即无法解释形成我们今天所见的伽利略卫星所需的全部物质，而不仅仅是一部分。

该理论还解释了木卫一、木卫二和木卫三的轨道如何形成其引人注目的轨道共振，这一现象已经让科学家们着迷了几个世纪。每当外侧的木卫三绕行一周时，木卫二就绕行两周，最里面的木卫一就绕行四周——每 172 小时就回到初始状态。根据 Batygin 的说法，他们的新理论解释了这种关系是如何以一种稳定的方式发展的：木卫二首先与木卫一锁定在一个模式中，然后木卫三与木卫二同步。

尽管该团队自 2018 年以来一直在研究该理论，但直到去年，观测结果才证实了他们的逻辑和计算。

2019 年，观测距离地球约 370 光年的 PDS 70 星系的天文学家们发现了第一个绕系外行星运行的、形成卫星的圆盘的例子。正如 Batygin 所说，“它的尘埃含量远超任何人的想象。” 2019 年的其他观测结果进一步支持了该理论，这些观测显示 HD 163296 星系存在气体循环的迹象，这与新模型预测的非常相似。

搜索系外行星不仅仅是为了寻找外星生命。另一个主要的动力是，了解遥远的行星可以揭示我们自己的太阳系以及地球本身的许多信息。

例如，罗切斯特大学助理教授 Miki Nakajima 告诉《天文学》杂志，她认为系外行星的见解也启发了Batygin 关于第九行星的著名预测，这是一个假设中的超级地球，潜伏在太阳系外围。

她指出：“系外行星系统的观测为我们提供了观察可能发生在过去太阳系中的事件的窗口”，并表示这正激励科学家们探索新的形成机制。“这项工作的一个新颖之处在于提供了卫星的完整历史，”Nakajima 说。她认为，没有现有的数值模拟，就不可能检验这些想法。

康奈尔大学行星科学家 Jonathan Lunine，曾提出过一个关于木星卫星可能如何形成的早期有影响力的模型，他告诉《天文学》杂志，他很想了解更多关于木卫三和木卫四形成的信息。尽管这两颗卫星大小相似，但它们的地理历史却截然不同。Lunine 表示，未来对这些卫星的探测任务可以对其引力场进行更详细的测量，从而揭示更多关于其内部的信息，并提供对两者之间差异的见解。