超级计算机有助于了解木星和土星之间的距离

文章内容

太阳系最大的两颗行星木星和土星在2020年12月21日受到了全世界的关注，因为它们比1623年以来更近了。在全球范围内都可以看到，“大结合”使两颗行星之间的距离仅为0.1度。

众所周知，木星和土星通常会彼此“保持距离”。了解为什么这两颗行星之间有这么大的空间是最近一项研究的重点伊卡洛斯期刊文章。天生偏心:木星和土星的前不稳定轨道的约束包含了一个国际研究团队对超级计算机模拟的分析，这要感谢美国国家科学基金会(NSF)极限科学与工程发现环境(XSEDE)在超级计算机上的分配。

彗星这台超级计算机位于加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥超级计算机中心桥梁在匹兹堡超级计算中心进行了6000多次模拟，以更好地了解两颗行星之间的空间。模拟的开发和分析由卡内基研究所华盛顿博士后马修·克莱门特，他与法国佩萨克波尔多天体物理实验室的天文学家肖恩·雷蒙德，以及来自俄克拉荷马大学、莱斯大学和西南研究所的几位研究人员合作。

克莱门特说:“我们相当确定，包括木星和土星在内的巨大行星出生时的距离比现在更近。要确定它们现在如何以及为什么相隔如此之远，一个挑战是更好地理解木星的轨道是如何变得如此偏心和椭圆的。”“从历史上看，再现木星轨道形状的模拟往往会将土星推向太阳系外，超出天王星今天的位置，所以在我们的研究中，我们使用了与在气态原行星盘中形成的巨型行星的流体动力学模型一致的初始条件，以更一致地生成木星和土星类轨道。”

根据科学家的说法，这两颗气体巨星轨道的相互作用推动了整个太阳系的演化。木星本身的质量约占太阳系中行星、小行星和彗星总质量的三分之二。与此同时，土星包含了其余大部分物质。

克莱门特解释说:“木星和土星今天的轨道舞蹈在太阳系中产生了无数的动力效应，并可能影响了过去地球的生长。”“这有助于我们理解为什么地球是一个气候温和、水资源丰富的地方，适合我们居住，而火星和金星据我们所知并不适合生命居住。”

虽然之前的研究假设木星和土星是在所谓的3:2平均运动共振中诞生的(木星每两个土星周期绕太阳运行三次)，但克莱门特的研究考虑了最初的2:1共振(两个木星轨道对应一个土星轨道)。因此，行星形成时距离更远。

“这是解释行星现代轨道舞蹈的最佳方式，”他说。“有趣的是，可能是观测到的最好的光行星盘，被称为PDS-70，这是一个正在成长的行星系统，似乎由两颗类似于我们太阳系中的木星和土星的巨大行星主导，也以2:1的共振。”

以这种方式了解木星和土星也有助于行星科学家将我们自己的行星系统与已发现的大量系外行星进行比较。克莱门特说，如果我们用目前的技术从远处观测我们自己的太阳系，我们只能探测到木星和土星，而不能探测到其他任何行星。然而，当我们观察到迄今为止探测到的质量与木星和土星相似的行星时，它们的轨道与太阳系中的轨道完全不同。

一些星系拥有类似木星的行星，它们的轨道非常短，比水星更靠近太阳(所谓的热木星)。其他的行星在更遥远的轨道上，就像木星和土星一样。然而，它们的轨道偏心率非常高，就像太阳系中的彗星一样。也有一些星系有四个或更多的巨行星，它们的轨道宽，离心率低，就像我们的巨行星一样，但它们处于共振链中。因此，根据研究人员的说法，太阳系存在于最后两种系统之间的奇怪的“中间地带”。

克莱门特说:“我们的工作本质上是试图理解为什么我们似乎是这两种系统之间的‘缺失的一环’，我们的结果表明，这是因为木星和土星形成了2:1的共振，而不是像3:2那样更紧密的共振链。”“因为这是一个非常混乱的过程，如果没有这样的条件，我们不可能将我们的项目进行到数千次模拟的规模彗星而且桥梁。”

这项研究的主要资金由国家科学基金会(st -1615975)、国家科学基金会职业奖(1846388)、美国宇航局天体生物学研究所(NNH12ZDA002C和NNA13AA93A)和美国宇航局(80NSSC18K0828)提供。计算时间为彗星而且桥梁通过XSEDE (TG-AST200004)授予。