2013年6月,当时在巴西、智利和阿根廷的天文观测者将望远镜对准了查里克洛,这是一块直径约240千米、围绕太阳运行的小行星,它位于土星和天王星之间。观测者们希望在查里克洛穿过背景恒星时,能分析它的形状,或者能找到彗星状冰流从它的表面逃逸的证据。
然而,观测数据传输到法国巴黎天文台布鲁诺·西卡迪实验室后,研究人员们的分析结果显示,查里克洛似乎被两个狭窄、轮廓分明的圆环包围着。这个结果令人难以置信,研究人员认为这可能是分析时出了什么差错,导致结果有误。然而,经过反复分析,结果仍是查里克洛有两个星环。
这是科学家第一次发现有环的岩石小行星。到了2017年1月,天文学家在观测中又发现了类似的事情——位于海王星轨道之外的妊神星有一个星环。妊神星是位于海王星轨道之外的矮行星。
这两个发现颠覆了科学家们的认知。在太阳系中,已知四颗巨行星拥有行星环,它们是土星、木星、天王星和海王星。科学家一直认为,一颗行星要有行星环,那么它的周围就要有足够形成行星环的物质。更重要的是,这颗行星的质量要足够大,拥有足够强的引力和均匀的引力场才能维持行星环的稳定。
然而,查里克洛质量不够大,形状可能是圆形,也可能是像土豆那样的不规则长椭圆形;妊神星虽然比查里克洛大,但是相比于像土星那样的巨行星,它还是太小了,并且从形状上来说,它甚至被认为是已知的最扁的天体之一。
这些个头小,形状又不规整的天体是如何维持自己的“光环”的呢?现在这个问题的答案我们还不能确定。2021年,一组科学家从天体的形状入手,希望通过对天体形状的分析,来找出它们维持星环的秘诀。
科学家们对查里克洛和妊神星进行了计算机模拟,在模拟中,研究人员在它们周围都设置了数百个环形粒子,以观察这些粒子的状态。
模拟显示,天体不规则的形状,比如表面有陨石坑、山脉等地形,或者天体本身形状是细长的,对环中的粒子有很重要的影响。与地球有“地球同步轨道”一样,其他天体之外也有一个这样的点,每当天体自转一周,在这个位置上绕天体运行的粒子就会绕天体旋转一周。在同步轨道内绕天体运行的环内粒子会被天体的引力拉近,最终撞向天体。而在同步轨道上的粒子则会在“共振”现象的作用下,被束缚在一定范围内,从而形成绕天体运行的星环。
因此,研究人员认为,一个形状不规则的天体可能在轨道共振的作用下,形成星环。这意味着,太阳系中可能还有更多拥有环的天体。不过,已有的研究认为,行星环不会一直都存在,随着时间的推移,它们最终会落向它们所围绕的天体。而在这项模拟研究中,像查里克洛和妊神星这样的小天体,环中物质落向它们的过程相当缓慢,因此这些物质不会剧烈撞击天体,而可能是在天体表面堆积,形成山脊一样的地形。研究人员就曾在土星的卫星土卫二的赤道上发现了这样的山脊。这可能意味着,土卫二曾经也有星环。
未来,随着观测技术的进步,我们对宇宙中的天体将有更多的了解,或许我们会发现,在宇宙中,有环的天体并不罕见。