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主譯：孫宇峰
校對(duì)：澄
審核：牧夫天文校對(duì)組
美編：蘇奕月
后臺(tái)：李子琦
https://sorae.info/astronomy/20250322-saturn-satellites.html
土星以擁有大量衛(wèi)星而聞名，也是觀測(cè)史上首個(gè)擁有100顆以上衛(wèi)星的天體。其實(shí)際的總數(shù)猶未可知，一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星越小數(shù)量則越多，另一方面，由于其觀測(cè)難度較大，當(dāng)觀測(cè)技術(shù)突破瓶頸時(shí)往往會(huì)發(fā)現(xiàn)大量衛(wèi)星。例如2023年5月，就曾一次性公布過(guò)63顆衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)。
小行星中心(MPC) 負(fù)責(zé)管理包括衛(wèi)星在內(nèi)的太陽(yáng)系小天體發(fā)現(xiàn)報(bào)告。該中心在2025年3月11日發(fā)布的電子通告中宣布，土星新增128顆衛(wèi)星。這是迄今為止單次新增數(shù)量最多的記錄，土星的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到了274顆，幾乎翻了一番（*1）。
總共274顆衛(wèi)星的數(shù)量在天文學(xué)家看來(lái)簡(jiǎn)直是多得離譜了。發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星的觀測(cè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，本次發(fā)現(xiàn)的大量衛(wèi)星，或許是土星周圍最近（可能在1億年內(nèi)）發(fā)生過(guò)多次巨大衛(wèi)星之間的劇烈天體碰撞事件的證據(jù)。如果這一推測(cè)成立，土星今后可能不會(huì)再讓出“衛(wèi)星數(shù)量最多的行星(天體)”的寶座。
圖1：隨著此次公布的128顆新衛(wèi)星的增加，土星的衛(wèi)星數(shù)量增加到了274顆。從目前的觀測(cè)和研究情況來(lái)看，土星今后可能不會(huì)再讓出“衛(wèi)星數(shù)量最多的行星”的寶座。(制圖：彩惠莉莉/使用了irasutoya網(wǎng)站上的素材)
漢化：牧夫天文編輯部
通過(guò)“移位和疊加”尋找難以觀測(cè)衛(wèi)星
在太陽(yáng)系中，土星是僅次于太陽(yáng)和木星的巨大天體，憑借其強(qiáng)大的引力，擁有眾多的（自然）衛(wèi)星。這些衛(wèi)星不僅可以通過(guò)探測(cè)器的抵近觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，也可以在遙遠(yuǎn)的地球上進(jìn)行觀測(cè)。 其實(shí)，“衛(wèi)星”這一分類并沒(méi)有明確的嚴(yán)格定義。目前，“通過(guò)觀測(cè)跟蹤證明長(zhǎng)期圍繞太陽(yáng)以外的天體公轉(zhuǎn)的天體”是衛(wèi)星的實(shí)際定義。因此，暫時(shí)圍繞行星公轉(zhuǎn)的小行星和彗星（※2），以及構(gòu)成土星環(huán)的小碎片等無(wú)法單獨(dú)識(shí)別和追蹤的物體（※3），目前還不被算作衛(wèi)星。
同時(shí)，通過(guò)觀測(cè)被證明是衛(wèi)星的天體的報(bào)告，還需要由管轄太陽(yáng)系內(nèi)的小天體的“小行星中心(MPC)”受理，并在該中心發(fā)行的小行星電子通告(MPEC)上刊登，由此該發(fā)現(xiàn)才被視為正式認(rèn)可。
最近新發(fā)現(xiàn)的大部分衛(wèi)星，即便使用高性能望遠(yuǎn)鏡，也是難以輕易發(fā)現(xiàn)的。因?yàn)樾l(wèi)星的亮度較暗，短時(shí)間曝光無(wú)法將其與噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。若是延長(zhǎng)曝光時(shí)間，衛(wèi)星的位置變化又過(guò)于劇烈，加上行星本身過(guò)于明亮，會(huì)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)造成干擾，因此也不容易實(shí)現(xiàn)。
解決這個(gè)問(wèn)題的方法是"移位與疊加"（shift and stack）。將短時(shí)間曝光拍攝的圖像疊加在一起，可以使衛(wèi)星圖像更加清晰。由于可以預(yù)測(cè)衛(wèi)星在拍攝圖像中的位置，因此如果衛(wèi)星真實(shí)存在，不僅圖像會(huì)更清晰，還可以驗(yàn)證與過(guò)去拍攝的圖像的一致性。反之，如果圖像不清晰或與過(guò)去拍攝的圖像不一致，則可以確認(rèn)是誤判。
土星新增128顆衛(wèi)星！
中國(guó)臺(tái)灣“中央研究院”天文及天文物理研究所的愛(ài)德華·J·阿什頓(Edward James Ashton)等人的觀測(cè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)“移位與疊加”技術(shù)發(fā)現(xiàn)了許多新衛(wèi)星。阿什頓團(tuán)隊(duì)也是首位將"移位與疊加"技術(shù)應(yīng)用于土星衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的觀測(cè)團(tuán)隊(duì)。
阿什頓團(tuán)隊(duì)將"移位與疊加"技術(shù)應(yīng)用在了加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡2019年至2021年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。此外，他們還調(diào)查了過(guò)去拍攝的圖像中是否有可以確認(rèn)是同一顆衛(wèi)星的圖像，調(diào)查對(duì)象是卡內(nèi)基研究所的斯科特·S·謝潑德(Scott Sander Sheppard)等觀測(cè)團(tuán)隊(duì)用昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡拍攝的2004年以后的圖像。
通過(guò)這種觀測(cè)方法和圖像探索，研究團(tuán)隊(duì)首先在2021年11月公布了“S/2019 S1”的發(fā)現(xiàn)。之所以能夠領(lǐng)先于其他團(tuán)隊(duì)，得益于提前收集了確定軌道的數(shù)據(jù)。隨后在2023年5月，研究團(tuán)隊(duì)在兩周內(nèi)一次性公布了62顆衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)，一周后又公布了“S/2006 S 20”的發(fā)現(xiàn)。“S/2006 S 20”的公布時(shí)間滯后，是因?yàn)樾⌒行侵行闹赋鲎畛跆峤坏奶祗w數(shù)據(jù)存在一致性問(wèn)題，因此研究團(tuán)隊(duì)重新提交了數(shù)據(jù)。
歷時(shí)約一年半公布的這64顆新衛(wèi)星，使土星的衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到146顆，不僅超過(guò)木星的95顆，成為擁有衛(wèi)星最多的天體，也是首次擁有三位數(shù)衛(wèi)星數(shù)量的天體。
然而，在與上述新衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)相關(guān)的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，還沉睡著更多的候選衛(wèi)星。阿什頓團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它們是衛(wèi)星的可能性很高，但僅憑當(dāng)時(shí)掌握的觀測(cè)數(shù)據(jù)尚不足以支撐這一觀點(diǎn)。
圖2：使用SKY EXPLORER模擬的土星衛(wèi)星公轉(zhuǎn)軌道圖。已知衛(wèi)星以黃色表示，此次新增的128顆衛(wèi)星以紅色、藍(lán)色和綠色表示，分別對(duì)應(yīng)電子通告2025-E153、2025-E154和2025-E155。（圖片來(lái)源：MERAK COSMOS）
因此，阿什頓團(tuán)隊(duì)于2023年8月至10月利用加法夏（加拿大-法國(guó)-夏威夷）望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了額外觀測(cè)。結(jié)果，確定了候選衛(wèi)星是真正的衛(wèi)星，促成了此次128顆新衛(wèi)星的公布。當(dāng)然，這是有史以來(lái)公布的新衛(wèi)星數(shù)量最多的一次。也許是因?yàn)閿?shù)量過(guò)于龐大，通常按單個(gè)天體分類發(fā)行的電子通告，這次分3批以61個(gè)+34個(gè)+33個(gè)的形式發(fā)行了。
增加了128顆衛(wèi)星后，土星的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到了274顆。土星衛(wèi)星的歷史始于1655年克里斯蒂安·惠更斯發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)六“泰坦”，此次公布的數(shù)據(jù)約占370年歷史上發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星的47%。如果加上2021年以后公布的部分，實(shí)際上這4年公布的比例要占到70%。
所有被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星直徑都只有幾公里，最小的衛(wèi)星直徑為2~3公里。其軌道從在平均距離約1109萬(wàn)公里的公轉(zhuǎn)軌道上運(yùn)行約436天（1.19年）的“S/2023 S 6”到在平均距離約2804萬(wàn)公里的公轉(zhuǎn)軌道上運(yùn)行約1753天（4.80年）的“S/2020 S 44”不等。特別是S/2020 S 44的平均距離是土星衛(wèi)星中最遠(yuǎn)的，算上其他天體的衛(wèi)星在內(nèi)也能排到第四(※4)。另外，31顆被分類為與土星自轉(zhuǎn)方向相同公轉(zhuǎn)的順行衛(wèi)星，97顆被分類為與土星自轉(zhuǎn)方向相反公轉(zhuǎn)的逆行衛(wèi)星。
此外，截至筆者采訪阿什頓時(shí)，這次并無(wú)新衛(wèi)星被指出存在數(shù)據(jù)問(wèn)題。因此，不存在兩年前那般的后續(xù)補(bǔ)充，此次新增的衛(wèi)星確定為128顆。
即使在天文學(xué)家看來(lái)，衛(wèi)星數(shù)量也太多了
在總共274顆土星衛(wèi)星中，有250顆衛(wèi)星（包括此次公布的全部128顆在內(nèi)）在離土星相當(dāng)遠(yuǎn)的地方以扭曲的橢圓形軌道公轉(zhuǎn)。這類衛(wèi)星被歸類為“不規(guī)則衛(wèi)星”。雖說(shuō)在太陽(yáng)系的4個(gè)巨行星都有發(fā)現(xiàn)不規(guī)則衛(wèi)星，但土星的不規(guī)則衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到250個(gè)，可以說(shuō)是一騎絕塵。
從大眾的角度來(lái)看，這個(gè)衛(wèi)星數(shù)量可以說(shuō)是很多了，而從天文學(xué)家的角度來(lái)看，這個(gè)衛(wèi)星數(shù)量不能說(shuō)很多吧，只能說(shuō)多得有點(diǎn)離譜。2019年的一項(xiàng)研究估計(jì)，土星直徑在2.5公里以上的不規(guī)則衛(wèi)星總數(shù)為120至180顆。而事實(shí)上，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了250顆同樣大小的不規(guī)則衛(wèi)星。理論上最多也有180個(gè)，而實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了250個(gè)，理論和實(shí)際情況的背離很大。
表1：擬議的土星不規(guī)則衛(wèi)星群和亞群列表。請(qǐng)注意，順行衛(wèi)星的軌道傾角在90度以下，逆行衛(wèi)星的軌道傾角則在90度以上。（制圖：彩惠莉莉）漢化：牧夫天文編輯部
與這一龐大數(shù)量相關(guān)的研究盡管仍處于預(yù)印本階段，也進(jìn)行了公開(kāi)。(※5)。參與上次和本次衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的阿什頓團(tuán)隊(duì)，在此次新衛(wèi)星公布的前一天，在arXiv上發(fā)布了一份關(guān)于截至2023年5月發(fā)現(xiàn)的122顆不規(guī)則衛(wèi)星公轉(zhuǎn)軌道詳細(xì)分析結(jié)果的預(yù)印本。
土星的不規(guī)則衛(wèi)星以前根據(jù)公轉(zhuǎn)軌道分為“高盧群”、“因紐特群”和“北歐群”三個(gè)群。阿什頓團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步定義了“土衛(wèi)二十六亞群”、“土衛(wèi)二十四亞群”、“土衛(wèi)二十九亞群”、“土衛(wèi)四十五亞群”、“土衛(wèi)二十五亞群”、“土衛(wèi)九亞群”共6個(gè)亞群（Subgroup）（上述表1）（※6），推測(cè)了所屬不規(guī)則衛(wèi)星的傾向、性質(zhì)以及起源。這類亞群以前就有人提出過(guò)，阿什頓團(tuán)隊(duì)以新增的衛(wèi)星為補(bǔ)充整理了現(xiàn)有的亞群，并明確了定義。
圖3：按群表示土星不規(guī)則衛(wèi)星的大小和數(shù)量的圖表。可以看出，土衛(wèi)二十五亞群與其他亞群相比，曲線的斜率更陡，且斜率與衛(wèi)星大小關(guān)系不大。（制圖：愛(ài)德華阿什頓團(tuán)隊(duì)（Edward Ashton，et al.）/日語(yǔ)譯制為筆者（彩惠莉莉）
這份預(yù)印本的內(nèi)容是基于2023年5月之前公布的衛(wèi)星，因此并未提及此次新增的衛(wèi)星。但是正如圖3的圖表所示，我們可以看到，與其他亞群相比，被分類為土衛(wèi)二十五亞群的衛(wèi)星的直徑和數(shù)量曲線更陡。曲線斜率比2019年論文的推定更陡，因此預(yù)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量也會(huì)更多。似乎與這份預(yù)印本的預(yù)測(cè)一致，我們發(fā)現(xiàn)了比2019年論文所推定的更多的衛(wèi)星。
為了對(duì)作為不規(guī)則衛(wèi)星的新衛(wèi)星的亞群進(jìn)行分類，需要取劇烈變化的軌道傾角（*7）的平均值。但目前還只是一個(gè)測(cè)量值，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行正式分類。因此，目前只是暫定的分類，在今后的研究中可能會(huì)發(fā)生變化。而目前可能的分類如下表2所示。
表2：土星250顆不規(guī)則衛(wèi)星的分類。顏色部分是此次新增的128顆不規(guī)則衛(wèi)星，如本文所述，對(duì)新衛(wèi)星的分類是暫定的。（制圖：彩惠莉莉）
不過(guò)，雖然是暫定的，但阿什頓認(rèn)為，由于土衛(wèi)二十九亞群具有相當(dāng)孤立的公轉(zhuǎn)軌道，因此關(guān)于這個(gè)亞群的分類基本可以確定。另外，如前所述，目前顯示的新衛(wèi)星的軌道傾斜角不是平均值。阿什頓預(yù)測(cè)，一旦確定了軌道傾角的平均值，軌道傾角為40至45度的衛(wèi)星將不復(fù)存在。
最近的大碰撞產(chǎn)生了大量的衛(wèi)星？
遠(yuǎn)高于2019年研究預(yù)測(cè)的數(shù)量，加上不規(guī)則衛(wèi)星可以分為多個(gè)亞群，土星不規(guī)則衛(wèi)星的起源來(lái)自破碎的更大的衛(wèi)星，這一推測(cè)浮出水面。
如果曾經(jīng)有一顆巨大的衛(wèi)星因某種原因破碎，就會(huì)發(fā)現(xiàn)多顆具有相似公轉(zhuǎn)軌道的不規(guī)則衛(wèi)星，這與已知的現(xiàn)實(shí)是一致的。由于不規(guī)則衛(wèi)星可以分為多個(gè)群和亞群，由此研究人員認(rèn)為作為形成起源的巨大衛(wèi)星可能不止一個(gè)，而是有多個(gè)。
亦或是破碎產(chǎn)生的碎片之間進(jìn)一步碰撞而改變了軌道，也有可能是兩種原因兼而有之。擊碎巨型衛(wèi)星的天體也可能是另一顆巨型衛(wèi)星，也可能是被土星引力捕獲的小行星或彗星。無(wú)論如何，為了探究可能有多種模式的不規(guī)則衛(wèi)星的起源，需要進(jìn)一步的研究和觀測(cè)。
另外，土星的不規(guī)則衛(wèi)星以推定直徑4公里為界，相對(duì)于大衛(wèi)星，小衛(wèi)星的數(shù)量，與其他行星的衛(wèi)星相比要多得多。土星的周圍小衛(wèi)星十分擁擠，隨著時(shí)間的推移，小衛(wèi)星之間的碰撞很有可能會(huì)使它們碎裂成無(wú)法觀測(cè)到的小碎片。但實(shí)際上，由于發(fā)現(xiàn)了大量的不規(guī)則小衛(wèi)星，研究人員認(rèn)為目前為止經(jīng)過(guò)的時(shí)間還不足以讓小衛(wèi)星碎裂并消失。
阿什頓團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，土星的大部分不規(guī)則衛(wèi)星都是最近，可能是在1億年內(nèi)才生成的，鑒于有人預(yù)測(cè)土星環(huán)也是在數(shù)億年內(nèi)形成的，土星環(huán)的存在和衛(wèi)星數(shù)量之多可能暗示著土星周圍在過(guò)去數(shù)億年內(nèi)發(fā)生了相當(dāng)劇烈的環(huán)境變化。
說(shuō)句題外話，直到最近，土星還在和木星爭(zhēng)奪“衛(wèi)星數(shù)量最多的行星（天體）”的寶座。不過(guò)，給土星帶來(lái)大量衛(wèi)星的劇烈天體碰撞，目前尚未在木星上看到如此端倪。此外，據(jù)信，以目前技術(shù)而言，木星可觀測(cè)的衛(wèi)星幾乎都已被發(fā)現(xiàn)，潛在未被發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星概率微乎其微?；蛟S，土星是真正意義上的"衛(wèi)星數(shù)量最多的行星"，并且今后可能也不會(huì)再讓出“衛(wèi)星數(shù)量最多的行星(天體)”的寶座。
「注釋」
*1…在土星的衛(wèi)星中，“S/2004 S 3”、“S/2004 S 4”和“S/2004 S 6”這三顆衛(wèi)星是由粒子暫時(shí)聚集而成的團(tuán)塊，通常被認(rèn)為不是真正的衛(wèi)星。如果算上這三顆，土星的衛(wèi)星總數(shù)會(huì)來(lái)到277顆。
※2…如果將暫時(shí)捕獲的小行星或彗星算作衛(wèi)星，例如地球?qū)⒅辽贂?huì)增加5顆衛(wèi)星。
※3…據(jù)觀測(cè)，土星環(huán)中會(huì)產(chǎn)生數(shù)千個(gè)暫時(shí)的團(tuán)塊，但這些都不算衛(wèi)星。作為唯一的例外，被長(zhǎng)期跟蹤的B環(huán)中一個(gè)特別大的團(tuán)塊（直徑約300米）“S/2009 S 1”被算作衛(wèi)星，但這是一個(gè)特例。
※4…前三都是海王星的衛(wèi)星“S/2021N1”、“海衛(wèi)十三”、“海衛(wèi)十”。
※5…通常說(shuō)到“論文”，是指發(fā)表在有審稿制度（第三方檢查）的論文雜志上的論文。與此相對(duì)，沒(méi)有在任何論文雜志上發(fā)表的、經(jīng)過(guò)審核的原稿被稱為“預(yù)印本”。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這不是一篇正式的論文，其內(nèi)容的有效性相比普通論文應(yīng)該要打折扣，但幾乎相同的內(nèi)容刊登到論文雜志上的情況并不少見(jiàn)。
※6…有些衛(wèi)星有相當(dāng)獨(dú)特的公轉(zhuǎn)軌道，有些衛(wèi)星沒(méi)有被分類到任何一個(gè)亞群中。其中一些被認(rèn)為可能是一個(gè)獨(dú)立的亞群，如土衛(wèi)二十和S/2004 S 24。
*7...軌道傾斜角是表示由軌道形成的平面相對(duì)于參考平面傾斜程度的值。通常，衛(wèi)星的軌道傾斜角是相對(duì)于中心天體的赤道面的角度，但對(duì)于不規(guī)則衛(wèi)星，則是相對(duì)于行星的黃道面（由行星的公轉(zhuǎn)軌道形成的面）的角度。
責(zé)任編輯：甘林
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
微信公眾號(hào)：astronomycn
2016年 saturn的近距離拍攝來(lái)源：NASA/JPL-Caltech/SSI/Kevin M. Gill
來(lái)源：konstructivizm
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