环-卫星耦合系统的三种动力学演化机制及其对天王星卫星 Miranda 形成的启示

在环-卫星耦合系统中，卫星通过潮汐与中心天体交换角动量，通过林德布拉德力矩与环交换角动量，并可能通过吸积和潮汐瓦解与环交换物质。本文表明，这些环-卫星耦合系统可归为三种不同的动力学机制，我们称之为“Boomerang（回飞镖）”、“Slingshot（弹弓）”和“Torque-Dependent（力矩依赖）”。这些机制由流体洛希极限、同步轨道以及林德布拉德力矩所能扰动的卫星最大轨道位置之间的相对位置决定。在回飞镖机制中从环吸积形成的卫星保持在同步轨道内侧，并可能被潮汐驱回靠近中心天体。在弹弓机制中从环吸积形成的卫星位于同步轨道外侧，且总是被驱离中心天体。在力矩依赖机制中从环吸积形成的卫星可能表现出回飞镖或弹弓行为，取决于环与卫星的质量。我们考量太阳系中已知和假想的环/卫星系统，并识别它们属于这三种机制中的哪一种。我们确定天王星处于力矩依赖机制内。利用 RING-MOONS 代码（该代码模拟环-卫星耦合系统的动力学演化），我们表明天王星卫星 Miranda 可能从一个巨大的古老洛希内环吸积形成，并遵循类弹弓的动力学路径到达其位于同步轨道之外的当前轨道，而在 Miranda 之后吸积的卫星遵循类回飞镖的演化路径并保持在同步轨道内侧。