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土星環為什麼沒有被土星吸附或者凝聚成一顆衛星,而是保持穩定的環狀?


土星最突出的特徵之一是環繞其表面的一組環。但其實有些主要的行星(木星,土星,天王星和海王星)都有環系統,它們都是不一樣的。土星擁有最大,最壯觀的環形系統 ,而其他行星環形並不容易看到而已。

2013年7月拍攝(來源Wikipedia)

土星環由無數的小的顆粒組成,從微米到米的尺寸都有,環形顆粒幾乎完全由水冰製成,也少量具有微量的岩石材料成分,而且厚度很薄。有理論認為土星環可能已經很老了,可以追溯到土星本身的形成的時期。但根據美國國家航空航天局的土星探索卡西尼號太空船收集的新觀測結果顯示,這些環可能只有一億年到二億年之久。但關於其形成機制目前尚還未達成共識。

旅行者2號的土星圖片(來源Wikipedia)


目前關於土星內環起源的有兩個主要理論。

第一個理論是這些光環曾經是土星的衛星,它的軌道發生了衰變,直到它足夠靠近土星足以被潮汐力撕裂成碎片(此處可參見洛希極限:在洛希極限內將會被撕裂,在洛希極限外可以形成衛星,如月球),卻又無法聚集成衛星。這個理論的另一個說法是這個衛星被大彗星或小行星撞擊後解體,繼而形成這美麗的環。

第二種理論是環不是衛星的,而是從土星形成的原始星雲物質中遺留下來的。

2009年8月12日晝夜平分後一天土星環(來源Wikipedia)


有科學家猜測,早期最初的土星光環會比現在的更大(≈1000倍),更寬。巨大的早期光環的概念後來被擴展到解釋土衛五之外土星衛星的形成。通過對土衛五以外土星衛星硅酸鹽含量的變化,以及土星附近硅酸鹽含量減少的趨勢研究發現,環外新形成的衛星可能會通過隨機合併繼續進化。土衛五應是由原始光環形成的最古老的衛星,而且離土星越近的衛星越年輕。

另外在2017年9月穿越土星環和土星之間的間隙時,卡西尼號宇宙飛船探測到赤道附近有一股電荷中性物質從土星環以4,800-44,000千克/秒的速度流向土星。假設這個流入速率是穩定的,把它加到持續的「環雨」過程中,那意味著這些環可能在1億年內消失。


總之關於土星環的現狀大概就是可以被科學家們這樣解釋了。土星環事實上正在被土星吸附,這個過程稱為「環雨」,只不過目前還沒那麼快會被完全吸走,可能需要1億年。而且最外圍的環也有可能會被新形成的衛星吸走。另外至於土星環為何沒有形成一顆衛星的話,很大原因是因為洛希極限原理,使它們無法凝聚。所以儘管現在看到的土星環仍是很雄偉壯麗,但事實上它也正在慢慢變小。

土星直徑土星環直徑,來源nasa(David G. Simpson博士)

資料引自Wikipedia


星環被吸附還是凝聚,都是引力的作用。

1、被土星吸附

小天體饒大天體旋轉,穩定情況下,其速度與規定高度有以下關係:

可以看到,與小天體本身的質量無關。穩定情況下,速度越快,軌道越低。

土星環分好幾層,寬度綿延30多萬公里,如上圖。環的主要成份是各類大小不一的小天體,包括顆粒、冰快、岩石、有機化合物等(下圖)。雖然,這些小天體大小不一,質量也不等。但是在同一個軌道高度,其速度是一樣的。在綿延30多萬公里的環上,內層和外層的速度相差很大。而這種平衡,正是保證星環不被土星吞沒的主要原因。

但是,這種平衡並不一定長久。一些外來的物體會打破這種平衡(小天體質量太小,很容易被打擾),使得星環的物體逐漸墜落至木星。早期,科學家認為這一過程大約持續3億年。但是,18年10月初發表的科研結果表明,土星環內部的粒子等物質直接墜入土星大氣層,考慮這一因素,土星環不到1億年後就會消失。

2、凝聚成衛星

星環饒著土星在高速旋轉,星環內有質量大小不一的顆粒。想要凝聚成衛星,那麼相互間的引力必須足夠大,也就是要求小天體質量必須足夠大。

雖然整體星環的質量夠大,但是星環內的顆粒,較大的也才10公里左右,其引力不足以吸引附近的顆粒。此外,即使存在較大顆粒,吸引了附近軌道的天體,兩者會發生碰撞後又分開。很難凝成一個整體。

3、總結

由於星環現在的勻速速度和高度匹配,使得現在的星環處於一種穩定的狀態,不會墜落木星。由於星環內的物體質量不夠大,無法產生足夠的引力吸引周邊的物體,無法凝聚成一顆衛星。


社會百科探索

這一問題提的好,它能夠證明星球沒有引力關係,如果土星有引力,就沒有土星環的存在,天文科學理論,要經過科學論證,本回答是經過重多星球物理現象,深入研究,得出結論,宇宙不存在引力關係。


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