通过单次掠过的大型柯伊伯带天体之潮汐解体形成巨行星环

巨行星环的起源至今仍不清楚。土星环质量巨大，由90-95%的水冰组成。相比之下，质量小得多的天王星和海王星环则较暗，且可能具有较高的岩石比例。本文首次研究了掠过天体的潮汐解体过程及其随后形成的行星环。首先，我们对与土星或天王星发生近距离交会的大型分化天体（$M_{\rm body}=10^{21-23}$）的潮汐破坏进行了SPH模拟。我们发现，约有 $0.1-10$% 的掠过天体质量被引力俘获至行星周围。然而，这些碎片最初是大块体，且在行星周围具有高偏心率轨道。随后，我们利用SPH模拟获得的数据作为初始条件，进行了包含行星扁率的N体模拟。我们的N体模拟表明，这些块体在接下来的几圈轨道运行期间被潮汐破坏。随后，它们的个体轨道开始在行星赤道周围无序地进动，这提高了它们在长期演化中的交会速度，导致更具破坏性的撞击。这些碰撞会阻尼其偏心率，导致碎屑云逐渐坍缩成一个薄的赤道低偏心率环。预期这些高能撞击具有足够的灾难性，能够产生小颗粒。我们的数值结果还表明，所形成环的质量足够大，可以解释包括土星和天王星内部规则卫星在内的现有环。在天王星的情况下，天体可以更深地进入行星的洛希极限内，与主要俘获冰的土星情况相比，这导致岩石物质的俘获效率更高。因此，我们的结果可以自然地解释土星、天王星和海王星环之间的成分差异。