數(shù)值模擬表明，一顆年輕氣態(tài)巨行星周圍氣盤中的溫度梯度，可能對由單一大衛(wèi)星主導(dǎo)的衛(wèi)星系統(tǒng)演化起到關(guān)鍵作用，類似于土星系統(tǒng)中的土衛(wèi)六。

研究人員發(fā)現(xiàn)，環(huán)行星盤中的塵埃可以形成一個(gè)“安全區(qū)”，防止衛(wèi)星在系統(tǒng)演化過程中落入行星。天文學(xué)家認(rèn)為，我們在太陽系中看到的許多衛(wèi)星，特別是大衛(wèi)星，都是與母行星一起形成的。

在這種情況下，衛(wèi)星是由圍繞仍在形成中的行星旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃形成。但之前的模擬結(jié)果要么是所有大衛(wèi)星都墜落到行星上并被吞噬，要么是多個(gè)大衛(wèi)星仍然存在。在土星周圍觀察到的情況，有許多小衛(wèi)星，但只有一個(gè)大衛(wèi)星，不適合這兩個(gè)模型中的任何一個(gè)。名古屋大學(xué)指定助理教授藤井由里和日本國家天文臺(NAOJ)項(xiàng)目助理教授大原雅弘，通過研究包括灰塵和冰在內(nèi)的多種不透明度來源：

創(chuàng)建了一個(gè)溫度分布更逼真的繞行星盤新模型，然后，分析了盤狀氣體的壓力和其他衛(wèi)星的重力等因素，模擬了衛(wèi)星的軌道遷移。模擬顯示，有一個(gè)“安全區(qū)”，在那里衛(wèi)星會(huì)被推離行星。在這一區(qū)域，軌道內(nèi)較熱的氣體將衛(wèi)星向外推，防止它落入行星。研究第一次證明，一個(gè)只有一顆大衛(wèi)星圍繞著一顆巨行星運(yùn)行的系統(tǒng)是可以形成的，這是了解土衛(wèi)六泰坦起源的一個(gè)重要里程碑。

然而，很難檢驗(yàn)土衛(wèi)六是否真的經(jīng)歷過這個(gè)過程。研究人員設(shè)想可以通過對太陽系外行星周圍衛(wèi)星的研究來驗(yàn)證，如果發(fā)現(xiàn)許多單行星系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的形成機(jī)制將成為一個(gè)炙手可熱的問題。其研究成果《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上，本研究模擬使用的是NAOJ運(yùn)營的超級計(jì)算機(jī)集群。本研究已經(jīng)提出了幾種機(jī)制來解釋衛(wèi)星系統(tǒng)的形成過程，并認(rèn)為相對較大的衛(wèi)星誕生在行星盤中。

眾所周知，制造單衛(wèi)星系統(tǒng)要比多衛(wèi)星系統(tǒng)或無衛(wèi)星系統(tǒng)困難得多。研究的目標(biāo)是找到一種方法，形成一個(gè)只有一個(gè)大衛(wèi)星的系統(tǒng)，比如土星周圍的土衛(wèi)六，研究衛(wèi)星的軌道遷移，衛(wèi)星的方向和速度取決于環(huán)行星盤的性質(zhì)。研究建立了考慮溫度結(jié)構(gòu)影響的耗散環(huán)行星盤模型，并計(jì)算了土衛(wèi)六質(zhì)量衛(wèi)星在各種環(huán)行星盤最終演化階段的軌道演化。

同時(shí)還對最初有多顆衛(wèi)星的系統(tǒng)進(jìn)行了N體模擬，看看最終是否仍有衛(wèi)星系統(tǒng)。以塵埃不透明為特征的盤溫結(jié)構(gòu)的徑向斜率產(chǎn)生了一塊軌道，在此軌道上，土衛(wèi)六質(zhì)量的衛(wèi)星在一定的盤粘度范圍內(nèi)停止向內(nèi)遷移，甚至向外遷移，幫助最初位于外軌道的衛(wèi)星留在圓盤中，而那些位于內(nèi)軌道的衛(wèi)星落在行星上。首次證明，可以形成只有一個(gè)大衛(wèi)星圍繞巨大行星運(yùn)行的系統(tǒng)，研究的N體模擬表明，在環(huán)行星盤的外半徑內(nèi)，衛(wèi)星的形成效率不高。

博科園｜研究/來自：國立自然科學(xué)研究院

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201937192

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