決定木星和土星衛(wèi)星系差異的是磁場(chǎng)

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主譯：梁晨

校對(duì)：余路漢

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：張一帆

后臺(tái)：王啟儒

https://www.nao.ac.jp/news/science/2026/20260408-cfca.html

■氣態(tài)巨行星周圍圓盤中衛(wèi)星形成的情景示意圖。木星（左前方）周圍氣體沿磁場(chǎng)流入。土星（右后方）周圍氣體沿赤道面流入。這個(gè)時(shí)期的土星周圍尚未形成光環(huán)，此圖為了容易與木星區(qū)分而畫出了光環(huán)。左后方是剛誕生時(shí)期的太陽(yáng)。（來(lái)源：藤井悠里（L-INSIGHT/京都大學(xué)）、木下真一郎）

木星和土星都是由氣體組成的行星，它們的衛(wèi)星系形態(tài)卻不同?？赡苁怯捎谛行切纬蓵r(shí)磁場(chǎng)的差異，導(dǎo)致這兩顆行星的衛(wèi)星系走向不同命運(yùn)。計(jì)算機(jī)模擬描繪出了這一新情景。

太陽(yáng)系中存在木星和土星這兩顆氣態(tài)巨行星。木星擁有超過(guò)100顆衛(wèi)星，其中伊奧，歐羅巴，蓋尼米德，卡利斯托這四顆天體，質(zhì)量特別大，并且在非常靠近木星的位置公轉(zhuǎn)。另一邊，土星周圍已發(fā)現(xiàn)280多顆衛(wèi)星，而巨大衛(wèi)星泰坦占據(jù)衛(wèi)星系總質(zhì)量的95%，并在遠(yuǎn)離土星的位置公轉(zhuǎn)。這樣的衛(wèi)星系的特征差異是如何產(chǎn)生的呢？

解開謎題的關(guān)鍵，在于衛(wèi)星系的誕生方式。圍繞氣態(tài)巨行星周圍的巨大衛(wèi)星，被認(rèn)為是在行星形成初時(shí)，在行星周圍形成的氣體盤中生成的。衛(wèi)星的特征會(huì)隨氣體盤的結(jié)構(gòu)與組成而變化，而盤的構(gòu)造又由行星的密度、溫度、質(zhì)量等特征所決定。雖然行星磁場(chǎng)也是決定氣體盤構(gòu)造的重要要素之一，但目前的研究沒(méi)有充分考慮這一點(diǎn)。

京都大學(xué)藤井悠里助教等研究小組注意到，行星誕生之初的磁場(chǎng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬內(nèi)部構(gòu)造，研究了兩顆行星當(dāng)初有怎樣的磁場(chǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在行星內(nèi)部?jī)H相差數(shù)倍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，在行星表面，木星卻比土星強(qiáng)了約100倍。

這種磁場(chǎng)的差異，會(huì)對(duì)行星周圍氣體盤的結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星的形成產(chǎn)生怎樣的影響呢？研究小組使用國(guó)立天文臺(tái)運(yùn)行的“計(jì)算服務(wù)器”進(jìn)行模擬，詳細(xì)解析了氣體盤的結(jié)構(gòu)并研究了衛(wèi)星的演變過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)較強(qiáng)的木星周圍，發(fā)生了氣體沿行星磁場(chǎng)方向流入行星的“磁層吸積”現(xiàn)象，導(dǎo)致行星附近形成了無(wú)氣體的空洞。在氣體盤中形成的衛(wèi)星會(huì)逐漸靠近木星，但在到達(dá)空隙之前被止住，從而在氣體盤內(nèi)緣附近形成穩(wěn)定的軌道。另一邊，在磁場(chǎng)較弱的土星周圍，不會(huì)發(fā)生磁層吸積，在土星附近形成的衛(wèi)星會(huì)逐漸墜入土星，只有遠(yuǎn)離土星成長(zhǎng)的衛(wèi)星才能留存下來(lái)。由此可見，木星與土星磁場(chǎng)的差異，造就了它們巨大衛(wèi)星系的不同。

本研究首次實(shí)現(xiàn)了將氣態(tài)巨行星的內(nèi)部構(gòu)造和氣體盤運(yùn)作的基本物理機(jī)制，整合性地納入了模擬研究。并成功闡釋了木星與土星在巨大衛(wèi)星方面的差異。這一成果加深了對(duì)衛(wèi)星系多樣性的理解，也為未來(lái)有望發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外行星的衛(wèi)星探測(cè)提供了重要啟示。

責(zé)任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

NGC 4438 與 NGC 4435

圖源：ESO