【导读】

最新研究利用数值模拟指出，木星与土星卫星系统结构迥异，可能与两者在早期阶段磁场强度不同有关。研究认为，木星强大的磁场在其周围的行星盘中形成了磁层空洞，有助于捕获并保留多颗大型卫星；而土星较弱的磁场则未能形成类似空洞，使得迁移中的卫星更难长期存活。

木星与土星卫星系统差异明显

研究团队来自京都大学和名古屋大学。研究人员指出，太阳系中质量最大的两颗行星——木星和土星——也拥有数量最多的卫星系统。

现有观测显示，木星已报告拥有超过100颗卫星；若将土星的众多环结构考虑在内，其报告的卫星数量超过280颗。不过，这些卫星系统在结构上存在显著差异：

• 木星系统中有四颗大型卫星，其中包括太阳系中最大的卫星——木卫三；
• 土星系统则由一颗大型卫星土卫六主导，其余卫星总体规模较小。

研究人员表示，尽管木星和土星同为气态巨行星，但为何其卫星系统呈现出如此不同的结构，一直是天文学界的未解问题。

磁场与行星盘结构成研究焦点

既有的卫星形成理论曾提出多种解释方案，但近期关于恒星磁场的研究结果促使科学界重新审视这些理论。围绕“磁性吸积”和“卫星形成”的关系，长期存在争论，其中一个关键问题是：在木星周围的行星盘中，是否会因磁场作用形成一个内部空洞。

这里所说的行星盘，是指围绕年轻气态巨行星积聚物质的盘状结构，被认为是卫星形成的主要场所。研究人员指出，如果能够建立一个同时适用于木星和土星等多个系统的物理一致模型，那么这一模型也可能推广用于解释太阳系外行星及其卫星系统的结构。

“行星形成理论的检验难度较大，因为我们只有太阳系这一套完整样本，”研究团队成员藤井裕理表示，“但我们可以对多个邻近的卫星系统进行观测，并获取其详细特征，从而对理论进行约束。”

数值模拟揭示磁层空洞作用

为研究木星和土星在早期阶段的热演化及磁场随时间的变化，团队对年轻气态巨行星的内部结构开展了数值模拟。同时，研究人员还对两颗行星周围的行星盘进行建模，并通过N体模拟追踪卫星的形成过程及其轨道迁移轨迹。

模拟结果显示，木星和土星大型卫星系统的差异，可以通过两者磁场强度不同导致的盘结构差异来解释：

• 在木星的情形下，强大的磁场在其周围的行星盘中形成了所谓的“磁层空洞”。研究认为，这一空洞区域很可能在卫星向内迁移的过程中起到“屏障”作用，使木卫一、木卫二和木卫三等大型卫星得以被捕获并长期保留在系统中；
• 相比之下，年轻阶段的土星磁场强度被模拟结果认为不足以在行星盘中开辟类似空洞。缺乏这一结构，意味着正在迁移的卫星更容易继续向内运动并最终消失，难以在盘中长期存活，从而形成目前观测到的以土卫六为主导的卫星系统格局。

研究团队据此指出，木星与土星卫星系统结构的不同，可能主要源于早期磁场强度差异对行星盘结构的塑造方式不同。

对系外卫星系统的潜在启示

在总结研究结果时，科学家们表示，这一工作对未来系外卫星系统的观测具有参考意义。根据他们的模型：

• 质量较大的气态巨行星周围，更有可能发现结构紧凑的多卫星系统；
• 与土星质量相近的气态巨行星，则更可能仅拥有少数几颗、轨道距离较远的卫星。

相关研究成果已于2026年4月2日在线发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）杂志上，论文题为《木星和土星卫星系统不同结构源于磁层空洞形成》（Jovian and Saturnian satellite system architectures shaped by magnetospheric cavity formation），作者为Y.I. Fujii等，论文DOI为10.1038/s41550-026-02820-x。