土星环系统的起源与演化

土星的演化学史与地震学：在与土星环地震学一致的土星演化学模型中深稳定层状区域的生存

Saturn's Evolutionary History and Seismology: Survival of Deep Stably Stratified Regions in Evolutionary Models of Saturn Consistent with Ring Seismology

研究土星演化学模型与环地震学观测的一致性，发现内部稳定层状区域可能比之前认为的更浅，且深层氦梯度可能无需解释观测数据。

土星环地震学：土星内部深处稳定分层的证据

Saturn Ring Seismology: Evidence for Stable Stratification in the Deep Interior of Saturn

地震学允许对恒星和行星的内部结构进行直接观测。最近对土星环系统的观测揭示了土星环内存在由土星内部振荡模式激发的密度波，允许精确测量有限的行星模式频率。我们构造了土星的内部结构模型，计算了相应的模态频率，并与观测到的模态频率进行了比较。我们的模型的基本模式频率与观测到的频率（最大振幅波的频率）相匹配，精确度为$\sim 1 \%$，证实了这些波确实是由土星的f模式激发的。低振幅波的存在（频率与f-模式精细分离）只能在包含重力模式的模型中重现，这些重力模式在行星的稳定分层区域中传播。稳定的分层必须存在于行星深处，靠近核心和外壳之间的大密度梯度。我们的模型不能容易地再现观察到的$m=-3$模式的精细分裂，这表明额外的效应（例如，显著的纬度差异旋转）可能是重要的。

The role of diamagnetism in the separation of particles and sharp edges of the Saturn's ring

The diamagnetism of ice particles of the rings can explain their separation and the sharp edges of the rings. The existing gravitational theories of the origin of rings can't explain these observed facts. Taking into account the magnetic field of Saturn, all the particles of the rings acquire stability in the horizontal and vertical directions. The force of diamagnetic expulsion of inhomogeneous magnetic field inside the rings structure forms sharp edges and separates the particles.

土星D环中的波纹和偏心螺旋：对1983年土星发生的事情的新见解

Corrugations and eccentric spirals in Saturn's D ring: New insights into what happened at Saturn in 1983

以前对土星外D环（距离土星中心73，200 - 74，000公里）的研究发现了周期性的亮度变化，其径向波数随时间线性增加。这一模式被归因于一个垂直的环，其时间变化意味着一些事件-可能是与行星际碎片的撞击-导致环在1983年倾斜出行星的赤道平面。这项工作使用更广泛的卡西尼图像集更详细地研究了这些模式，以获得对1983年事件的更多见解。这些额外的数据表明，D环不仅是波纹状的，而且在其光学深度中还包含一个随时间变化的周期性调制，这可能代表了D环粒子的有组织的偏心运动。第二种模式表明，无论发生什么事件，使环倾斜，也会干扰环粒子的径向或方位角速度。此外，这两种模式的相对振幅表明，由1983年事件引起的垂直运动比相应的平面内运动大2.3+/-0.5倍。如果这些结构确实是由撞击产生的，材料将需要以陡峭的角度（与环平面成60度以上）撞击环以产生这种运动。与此同时，D环中的λ波长比人们根据附近C环中类似结构的外推预测的短约0.7%。这可能表明D环在C环之前大约60天被倾斜/扰动。如果撞击土星环的物质来自于几个月前某个物体在土星附近破裂时释放出的碎片，那么这种时间差异就可以解释。这些碎片必须具有相当大的初始速度分散度，并且在与环碰撞之前，其轨道特性必须受到太阳潮汐的扰动。

从环-面交叉看土星F环的垂直结构

The Vertical Structure of the F Ring of Saturn from Ring-Plane Crossings

我们提出了一个光度模型的土星环，其中包括主环和一个F环，倾斜的主环，与高斯垂直剖面的光学深度。该模型再现了1995年8月10日地球环面穿越（RPX）后几小时内哈勃太空望远镜（HST）观测到的土星环东西袢之间亮度的不对称性。模型显示，在这次观测中，倾斜的F环不均匀地阻挡了主环的东、西袢。由该模型产生的亮度不对称性对F环的垂直厚度和径向光学厚度高度敏感。与观测结果最匹配的F环模型的垂直半高宽为13 +/- 7公里，等效深度为10 +/- 4公里。该模型还再现了环亮度与距离土星的HST轮廓的形状，无论是在环平面交叉的时间之前和之后。在RPX之前观测到的较小的不对称性，当地球在环的暗侧时，不能用F环阻挡主环来解释，反之亦然，而可能是由于F环表现出的内在纵向变化。

土星环中螺旋桨卫星的修正的“I型迁移”模式

A modified "Type I migration" model for propeller moons in Saturn's rings

我们提出了一种机制，用于观察嵌入土星环中的“螺旋桨”卫星的非开普勒运动（Tiscareno et al. 2010，ApJL）。我们的机制，其中表面密度的径向变化-外部，不受嵌入的月球-由于“I型”角动量交换导致月球的平衡半长轴（Crida et al. 2010，AJ），提供了一个很好的拟合观测。未来的观察应该区分我们的模型和最近提出的其他模型。

土星环地震学：超越一阶共振

Saturn Ring Seismology: Looking Beyond First Order Resonances

在土星C环中发现的一些波特征似乎是由与行星正常模式振荡的共振激发的。波在环中的位置处被发现，其中轨道频率与振荡频率的比率由m：m+1给出，其中m是小整数。我在这里提出，环形波也可能在二阶共振时发射，其中频率比为m：m+2，这是合理的。实际上，在C形环中的这些位置处发现了其他不相关的波特征。如果确认行星模式与额外的C环波特征的关联，将测量土星的额外振荡频率，并提高波约束行星内部结构的效用。二阶共振一般不位于一阶环共振位置附近，因此不能解释模式的明显频率分裂。

土星环中‘辐条’的双组分模型

The Two-component Model of the 'spokes' in Saturn's Rings

本文提出土星环中辐条由碳质材料和快速形成并消失的磁性冰粒组成，通过高温化学气相沉积和太阳风影响解释其形成机制。

土星E环的三维结构

The three-dimensional structure of Saturn's E ring

土星弥漫的E环由许多微小（微米和亚微米）的水冰颗粒组成，分布在土卫一和土卫六的轨道之间。各种引力和非引力扰动这些粒子的轨道，导致环的局部粒子密度随着与行星的距离、环平面以上的高度、时角和时间而显著变化。利用卡西尼号航天器在2005年和2006年获得的遥感数据，我们研究了当太阳从南方以高仰角（> 15度）照射环时E环的三维结构。这些观测结果表明，环的垂直厚度随着离土卫二轨道的距离而增加，其峰值亮度密度随着离土卫二距离的增加而从土星赤道平面的南部向北部移动。这些数据还揭示了土卫二半长轴周围土星赤道面附近粒子密度的局部耗尽。最后，检测到的径向亮度分布和环的垂直厚度作为经度相对于太阳的函数的变化。可能的物理机制和过程可能是造成这些结构的原因，包括太阳辐射压力，周围等离子体的变化，以及与土星阴影相关的电磁扰动。

绘制土星环中的螺旋波和其他径向特征

Mapping spiral waves and other radial features in Saturn's rings

我们分析了卡西尼号在土星轨道插入（SOI）之后和环掠食轨道（RGO）和大结局（GF）之前获得的土星主环的最高质量图像。这些图像在保真度上可与SOI的图像相媲美，但由于其高信噪比，在标称分辨率上不可与SOI的图像相媲美。我们已经系统地搜索了这些图像中的径向结构，将它们减少到一个单一的维度（距离土星中心），并使用连续小波变换技术。我们讨论了螺旋波的共振理论，并讨论了从螺旋波的小波特征导出局部表面密度的适当方法。我们提出1）在我们的数据中发现的感兴趣的个别特征，包括以前没有报道过的几类波; 2）土星环表面密度的径向轮廓，这比以前提出的任何一个环都更明确，并纠正了以前的轮廓中的一些错误;以及3）共振特征图谱，其指示每个特征是否在环中表达，并且其通过共振强度以图形方式组织。

Compositional Measurements of Saturn's Upper Atmosphere and Rings from Cassini INMS

The Cassini spacecraft's last orbits directly sampled Saturn's thermosphere and revealed a much more chemically complex environment than previously believed. Observations from the Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS) aboard Cassini provided compositional measurements of this region and found an influx of material raining into Saturn's upper atmosphere from the rings. We present here an in-depth analysis of the CH$_4$, H$_2$O, and NH$_3$ signal from INMS and provide further evidence of external material entering Saturn's atmosphere from the rings. We use a new mass spectral deconvolution al…

The radial density profile of Saturn's A ring

In this work, we model the radial density profile of the outer A ring of Saturn observed with Cassini cameras (Tiscareno & Harris 2018): An axisymmetric diffusion model has been developed, accounting for the outward viscous flow of the ring material, and the counteracting inward drift caused by resonances of the planet's large outer moons. It has been generally accepted that the 7:6 resonance of Janus alone confines the outer A ring which, however, was disproved by Tajeddine et al. (2017). We show that the step-like density profile of the outer A ring is predominantly defined by the discrete f…

土星致密环中冰粒子碰撞的实验室研究

Laboratory studies of ice-particle collisions in Saturn's dense rings

在这项工作中，我们报告微重力研究的粒子合奏模拟冰粒子碰撞在土星的密集的主环。发展了一种研究多体系统能量耗散的实验方法。一百厘米大小的玻璃球平均粒子速度的时间发展，范围从~10 cm/s（开始时）到~0.35 cm/s（实验持续时间为9秒后），可以用0.64的恒定恢复恢复系数来解释。通过与纯水-冰体的数值进行比较，可以看出未来的低温冰碰撞实验可以达到约0.1厘米/秒的碰撞速度，从而可以很好地模拟土星主环的条件。

利用两个恒星掩星探测土星A环的超稳定性

Exploring overstabilities in Saturn's A ring using two stellar occultations

土星环的某些区域表现出周期性的不透明度变化，其特征径向波长高达几百米，这归因于粘性过稳定性。卡西尼号航天器上的可见光和红外测绘光谱仪观测到了十字架γ星的两次恒星掩星，其分辨率足以分辨出距离土星中心124，000至125，000公里之间的A环部分中这些周期图案的子集。这些数据表明，在这个区域，图案的波长和强度有系统地变化，但这些参数并不是严格由环的平均光学深度决定的。此外，我们的观察表明，这些不透明度的变化有一个方位角相干尺度约3000公里。

海王星的起源及土星环在双阶段土星系统不稳定中形成

Origin of Hyperion and Saturn's Rings in A Two-Stage Saturnian System Instability

研究通过双阶段土星系统不稳定事件，解释了海王星的起源及土星环的形成机制。

土星D环中的非圆形特征：D68

Non-circular features in Saturn's D ring: D68

D 68是一个狭窄的小环，距离土星自转轴只有67，627公里（1.12行星半径）。卡西尼号太空船获得的小环图像显示，这个小环具有持续的纵向亮度变化和相当大的离心率（ae=25+/-1 km）。通过比较不同时间的观测结果，我们确认了亮度的变化大约以当地的轨道速率（1751.6度/天）围绕行星旋转，小环的近心进动为38.243+/-0.008度/天，这与土星高阶引力谐波导致的该位置的拱点进动速率一致。令人惊讶的是，我们还发现小环的半长轴似乎在2005年至2013年间以2.4+/-0.4公里/年的速度随着时间的推移而减少。仔细观察这些测量结果，以及考虑早期旅行者号对这个小环的观测，表明D 68的平均半径来回移动，可能有大约15个地球年或大约半个土星年的周期。这些观测结果可能会对小环的局部动力学环境和行星的引力场产生重要的约束。

A recent origin for Saturn's rings from the collisional disruption of an icy moon

The disruption of an icy moon in a collision with an interloping comet a few hundred million years ago is a simple way to create Saturn's rings. A ring parent moon with a mass comparable to Mimas could be trapped in mean motion resonance with Enceladus and Dione in an orbit near the current outer edge of the rings just beyond the Roche zone. I present collisional N-body simulations of cometary impacts that lead to the partial disruption of a differentiated moon with a rocky core and icy mantle. The core can survive largely intact while the debris from the mantle settles into a ring of predomin…

研究潮汐剥离对现有月球的影响，作为土星年轻冰环起源的可能原因

Investigating tidal stripping of a pre-existing moon as the origin of Saturn's young icy rings

本文通过数值模拟研究了Chrysalis月球在接近土星时的潮汐响应，探讨其剥离冰层形成环系统的过程，并支持环系统可能源自近期失去的月球的假说。

Subaru/COMICS中红外观测土星环径向亮度对比度的季节变化

Seasonal variation of radial brightness contrast of Saturn's rings viewed in mid-infrared by Subaru/COMICS

目的。研究土星环的中红外（MIR）特征。方法.我们收集和分析了2008年1月和2005年4月在斯巴鲁望远镜上使用COMICS获得的土星环的MIR高空间分辨率图像，并在MIR的多个波段中研究了环表面亮度的空间变化。我们还组成了光谱能量分布（SED）的C，B和A环和卡西尼司，并估计的温度环的SED假设的光学深度。结果我们发现2008年C环和Cassini环比B环和A环更温暖，这可能是由于它们较低的反射率，较低的光学深度和较小的自遮蔽效应。我们还发现，C环和卡西尼司是相当明亮的B和A环在和平号在2008年和环亮度的径向对比度是在2005年，这被解释为一个季节性的结果与太阳和观察者的高度变化环平面。

在年轻的大质量环的粘性扩展期间土星中等大小卫星的吸积：解决硅酸盐贫乏环与硅酸盐丰富卫星的矛盾

Accretion of Saturn's mid-sized moons during the viscous spreading of young massive rings: solving the paradox of silicate-poor rings versus silicate-rich moons

土星内部中型卫星（土卫一、土卫二、土卫三、土卫四和土卫五）和土星环的起源一直存在争议。Charnoz等人（2010）提出了最小的内卫星可能是由环边缘的扩张形成的想法，而Salmon等人（2010）表明环最初可能是巨大的，环的前身本身也是如此。人们可能会想知道中等大小的卫星是否也是由巨大的环祖的碎片形成的，正如Canup（2010）所建议的那样。然而，驱动中等大小的卫星吸积从冰的碎片盘的过程还没有被详细研究。特别是，这个过程似乎无法解释中等大小卫星的硅酸盐含量变化（质量从6%到57%）。在这里，我们将探索从一个巨大的富含冰的环（几倍于土卫五的质量）形成大型物体，并描述这个新过程的基本性质和影响。使用混合计算机模型，我们表明，在巨大的冰环吸积可以形成所有中等大小的卫星，从土卫一土卫五。然而，为了解释它们目前的位置，需要土星内部的强烈耗散（Qp<2000）。我们的研究结果是一致的卫星起源绑到环形成至少2.5戈瑞前，无论是兼容的形成并行土星或在后期重轰炸。与高偏心率后增生事件有关的潮汐加热可能诱发早期地质活动。如果环内最初存在一些大块的不规则硅酸盐，那么它们今天应该存在于卫星的核心内，这些核心在被潮汐排出环时（通过异质吸积过程）会吸积冰壳，而那些仍然存在于环中的则被解释为今天土星环的螺旋桨和环卫星（如潘或达夫尼）。

土星环中嵌入的小卫星引起的垂直结构：间隙区

Vertical structures induced by embedded moonlets in Saturn's rings: the gap region

我们研究了土星环中螺旋桨结构的垂直范围。我们的重点在于间隙区域的螺旋桨和非倾斜的螺旋桨卫星。为了描述螺旋桨的垂直结构，我们扩展了Spahn和Sremcevic（2000）的模型，以包括垂直方向。我们发现，环粒子与非倾斜小卫星的引力相互作用不会引起相当大的环粒子的垂直偏移，但会引起相当大的热运动在环平面。我们希望环粒子碰撞，部分转换成环粒子的垂直偏移的横向诱导的热运动。对于螺旋桨的间隙区域，我们计算间隙平均螺旋桨高度的顺序为0.7希尔半径，这是小卫星半径的顺序。在我们的模型中，螺旋桨高度呈指数下降，直到粘性加热和碰撞冷却平衡。我们估计希尔半径为370米和615米的螺旋桨埃尔哈特和布莱里奥。我们的模型预测埃尔哈特推进器在土星2009年春分点的方位角范围约为120公里，与卡西尼图像确定的值一致。

土星E环中的奇异彩虹：揭示土卫二附近的发光带

Peculiar rainbows in Saturn's E ring: Uncovering luminous bands near Enceladus

本文通过卡西尼号多次飞掠数据发现土卫二羽流中的平行条纹，将其解释为E环内倾斜周期性冰粒结构产生的反射光栅衍射现象，揭示了土卫二物质在环中的分布。

Disruption of Saturn's ring particles by thermal stress

Spacecraft and ground-based observations show that the main rings of Saturn lack particles larger than 10 m. Tidal or collisional destruction of satellites/comets have been proposed as the origin of the main rings; however, Saturn's tide alone cannot grind km-sized fragments into submeter-sized particles because of the high mechanical strength of water ice and rock. The question arises as to why such large particles are not left in the current ring. It is known that thermal stress induced by diurnal and seasonal temperature variations can cause weathering and fragmentation of boulders and cont…

土星环III中的弹道输运不稳定性：数值模拟

The ballistic transport instability in Saturn's rings III: numerical simulations

土星内部的B环和C环支持着振幅不同但长度相似的波列，都是100-1000公里。此外，内部B环被两个有趣的“平坦”区域打断，半径为93，000公里和98，000公里，其中波消失，而C环波与高原森林，狭窄的小环和间隙共存。在这两个区域中，波可能是由大尺度的线性不稳定性产生的，这种不稳定性的起源在于环的陨石撞击：弹道输运不稳定性。在本文中，在一系列的第三，我们数值模拟的长期非线性演化的这种不稳定性在一个方便的本地模型。我们的C环模拟证实，不稳定的系统形成低振幅的波列拥有一个首选的波段。另一方面，B环模拟显示出由线性稳定平坦区域分隔的局部非线性波“包”。波包传播缓慢，同时在时间上传播，这一结果表明，在土星B环中观察到的平坦区域正在缩小。最后，我们提出了探索运行的内部B-环边缘再现早期的数值结果：弹道输运可以保持一个扩展的边缘的锐度，同时建立一个“斜坡”结构在其基础上。此外，弹道输运不稳定性可影响斜坡区域，但仅在低粘度运行中。

土星低纬度电离层受环雨的支配

The domination of Saturn's low latitude ionosphere by ring `rain'

土星的电离层是在中性大气层暴露于高能带电粒子流或太阳辐射时产生的。在低纬度地区，后者应该会导致整个行星范围内的红外线（IR）微弱辉光，与太阳对行星的均匀照射相对应。观测到的低纬电离层电子密度比模式预测的低，温度比模式预测的高。行星环的磁性连接先前已经被提出，其中来自环的水流入可以解释土星大气中低于预期的电子密度。在这里，我们报告了一种特征模式的检测，从25度到60度的宽纬度带延伸，叠加在低纬度背景辉光上，发射峰值沿着行星的磁场线映射到土星环的间隙。这种模式意味着带电的水产物从环平面转移到电离层，揭示了全球范围内的涌入，淹没了地球上层大气表面的30%至43%。这种环“雨”在调节电离层发射和抑制电子密度方面发挥着根本性的作用。

Evidence that a novel type of satellite wake might exist in Saturn's E ring

Saturn's E ring consists of micron-sized particles launched from Enceladus by that moon's geological activity. A variety of small-scale structures in the E-ring's brightness have been attributed to tendrils of material recently launched from Enceladus. However, one of these features occurs at a location where Enceladus' gravitational perturbations should concentrate background E-ring particles into structures known as satellite wakes. While satellite wakes have been observed previously in ring material drifting past other moons, these E-ring structures would be the first examples of wakes invo…

土星周围巨大的碎片盘--菲比环的径向轮廓

Radial profiles of the Phoebe ring, a vast debris disk around Saturn

我们目前的观测在光学波长与卡西尼号航天器的成像科学系统的菲比环，一个巨大的碎片盘周围的土星，似乎是碰撞产生的不规则的卫星。分析揭示了一个从80-260土星半径（$R_S$）的径向轮廓，改变了$\approx 110 R_S$内部的行为，我们将其归因于土卫八卫星清扫小颗粒，或者轨道不稳定导致环垂直爆发。我们的研究产生了一个综合的I/F在0.635 $μ$米沿土星的阴影在菲比环的中平面从80-250 $R_S$的$2.7^{+0.9}_{-0.3} \times 10^{-9}$。我们开发了一个分析模型的大小依赖的长期动力学的逆行菲比环颗粒，并比较这个模型的观测。这一分析意味着：（1）“菲比”环的部分来源是菲比轨道以外不规则卫星的碎片;（2）散射光信号主要是小颗粒（$\lesssim 20μ$ m大小）。如果我们假设菲比环是由稳定状态的微流星体撞击产生的，这意味着一个指数为$> 4$的幂律尺寸分布，这在太阳系环中是异常陡峭的。这表明，要么是在物质最初释放时喷出物的粒度分布很陡，要么是随后的过程优先破碎了大颗粒。

Aegaeon（土星LIII），G环天体

Aegaeon (Saturn LIII), a G-ring object

爱琴星（Saturn LIII，S/2008 S1）是土星的一颗小卫星，轨道位于土星G环内缘附近的明亮弧形物质内。该天体在2007年6月15日（DOY 166）和2009年2月20日（DOY 51）之间被卡西尼号的窄角相机观测到21张图像。如果Aegaeon与土星附近的其他小卫星（Pallene，Methone和Anthe）具有类似的表面散射特性，那么它的直径约为500米。基于完整运动方程的数值积分的轨道模型表明，爱琴星的轨道运动受到与土卫一的多重共振的强烈影响。特别是，就像它所居住的G-环弧一样，埃盖翁被困在与土卫一的7：6共转偏心共振中。因此，Aegaeon，Anthe和Methone形成了土星系统中的一类独特的物体：与Mimas共同旋转偏心率共振的小卫星，与碎片弧有关。这些不同的环弧系统之间的比较表明，Aegaeon的轨道更接近于精确的共振比Anthe的和Methone的轨道。这可能表明，Aegaeon通过与其弧内其他天体的相互作用经历了重大的轨道演化，这与Aegaeon的质量相对于其弧内总质量要比Anthe和Methone的质量小得多的证据相一致。

在太阳分点土星A环的不完全冷却：环粒子的季节性热惯性和内部结构的含意

Incomplete cooling down of Saturn's A ring at solar equinox: Implication for seasonal thermal inertia and internal structure of ring particles

在2009年8月的太阳分点，卡西尼号上的复合红外光谱仪（CIRS）显示了有史以来观测到的最低土星环温度。详细的辐射转移模型表明，只要只考虑土星的通量，土星A环观测到的春分温度就比模型预测的要高得多。这表明A环在春分点没有完全冷却下来。我们开发了一个简单的季节性环温度模型，并首先假设环颗粒的内部密度和热惯性是均匀的深度。颗粒大小估计为1-2 μ m。A环中部的季节热惯量为30-50 JmPDMATHABMM K $^{-1}$ s $^{-1/2}$，而A环内外区的季节热惯量为10 JmPDMATHABMM K $^{-1}$ s $^{-1/2}$或与昼夜热惯量一样低。一个附加的内部结构模型，其中一个粒子有一个高密度的核心周围的蓬松的风化层地幔，表明核心半径相对于粒子半径约为0.9的中间A环和更小的内部和外部区域的A环。这意味着环粒子内部密度的径向变化存在于整个A环。一些机制可能是将致密颗粒限制在中间A环中以防止粘性扩散。或者，（中间的）A环可能是最近（$<$ 10 $^{8}$ yr）由于一颗冰冷的卫星的破坏而形成的，因此致密的颗粒还没有扩散到A环上，颗粒的风化层地幔还没有变厚。我们的模型结果还表明，核心的成分主要是水冰，而不是岩石。

包含微陨石轰击引起的污染和输运的粘性演化对土星环初始质量、年龄和寿命的约束

Constraints on the initial mass, age and lifetime of Saturn's rings from viscous evolutions that include pollution and transport due to micrometeoroid bombardment

本文通过数值模拟演化中的土星环，结合Cassini观测的微陨石通量、污染比例和质量损失数据，确定了与这些观测一致的环初始条件，约束了土星环的初始质量、年龄和寿命。

Saturn's rings as a seismograph to probe Saturn's internal structure

As it has already done for Earth, the sun, and the stars, seismology has the potential to radically change the way the interiors of giant planets are studied. In a sequence of events foreseen by only a few, observations of Saturn's rings by the Cassini spacecraft have rapidly broken ground on giant planet seismology. Gravity directly couples the planet's normal mode oscillations to the orbits of ring particles, generating spiral waves whose frequencies encode Saturn's internal structure and rotation. These modes have revealed a stably stratified region near Saturn's center, and provided a new …

Impacts of zonal winds on planetary oscillations and Saturn ring seismology

The excitation of density and bending waves in Saturn's C ring by planetary oscillation modes presents a unique opportunity to learn about gas giant interiors and rotation. However, theoretical complications related to Saturn's rapid and differential rotation pose a barrier to the full utilization of ring wave detections. We calculate oscillation modes using a complete, non-perturbative treatment of differential rotation modelled after Saturn's zonal winds in self-consistently computed, polytropic equilibria. We find that previous, approximate treatments of the effects of differential rotation…

土星的G和D环提供了附近碎片盘的几乎完整的测量散射/相位函数

Saturn's G and D rings provide nearly complete measured scattering/phase functions of nearby debris disks

遥远恒星周围的碎片盘的外观取决于盘中物质的散射/相位函数（SPF）。然而，描述这些太阳系外碎片盘的SPF是具有挑战性的，因为地球观测者只能看到有限范围的散射角。相比之下，土星的稀薄环可以在更广泛的几何形状范围内观察到，因此它们的SPF可以更好地受到限制。由于这些环是由从较大物体表面释放的小颗粒组成的，它们与碎片盘有合理的相似之处，因此它们的SPF可以提供对碎片盘似乎合理的散射特性的了解。这项工作检查了土星的两个尘埃环：G环（距离土星中心167，500公里）和D 68小环（距离67，600公里）。利用卡西尼号航天器上的摄像机提供的数据，我们能够估计出光环在170到0.5度散射角范围内的亮度。我们发现，这两个环表现出非常强的前向散射峰，但散射角超过60度，其亮度几乎是恒定的。这些SPFs可以很好地近似由三个Henyey-Greenstein函数的线性组合，并大致一致的不规则颗粒的SPFs从实验室测量。将这些数据与Fraunhofer和Mie模型进行比较，突出了单独从SPF中提取颗粒组成和粒度分布信息所涉及的几个挑战。这些环的SPFs还表明，碎片盘中向前散射的程度可能被大大低估。

小卫星和团块与土星F环核心的物理碰撞

Physical collisions of moonlets and clumps with the Saturn's F-ring core

自2004年以来，对土星F环的观测显示，环的核心被径向尺度为数百公里的结构所包围，称为“螺旋”和“喷流”。附近卫星的引力散射被认为是一种潜在的产生机制;然而，它仍然值得怀疑，因为需要普罗米修斯质量的卫星群，显然，这样的人口在F环区域不存在。我们在这里调查的另一种机制：耗散物理碰撞的小卫星（或团块）的F-环的核心。我们表明，这是一个可行的和有效的机制，产生螺旋和射流，提供了大量的小卫星嵌入在F环核心，他们是由松散的团块在F环区域，这可能是一致的，最近的数据从国际空间站，VIMS和紫外线可见光。我们还表明，恢复系数低至~0.1需要再现螺旋和射流的径向范围，这表明碰撞是非常耗散的F环区域。总之，螺旋和喷流将是F环区域正在进行的碰撞活动的直接表现。

The Saturn Ring Skimmer Mission Concept: The next step to explore Saturn's rings, atmosphere, interior, and inner magnetosphere

The innovative Saturn Ring Skimmer mission concept enables a wide range of investigations that address fundamental questions about Saturn and its rings, as well as giant planets and astrophysical disk systems in general. This mission would provide new insights into the dynamical processes that operate in astrophysical disk systems by observing individual particles in Saturn's rings for the first time. The Ring Skimmer would also constrain the origin, history, and fate of Saturn's rings by determining their compositional evolution and material transport rates. In addition, the Ring Skimmer woul…

土星外B环中的自由不稳定模和大质量天体

Free Unstable Modes and Massive Bodies in Saturn's Outer B Ring

旅行者号的图像和卡西尼号的掩星数据先前已经表明，土星大质量B环外缘的行为只是部分地由与土卫一2：1的林德布拉德内共振的静态响应决定。在卡西尼图像的这一地区，我们发现，除了预期的波数-2被迫失真，非受迫自激波数-3，波数-2，和波数-1正常模式的证据。这是第一次观测到土星宽阔的光环中存在大量的波放大现象。此外，这些自由模式的存在强烈暗示粘性超稳定性是其根本原因，并且通过推断，在整个高质量密度B环和土星环中其他高质量密度区域中的大多数（如果不是全部）非受迫结构的原因。对每个推断波的分析揭示了环外250公里处的平均表面质量密度的一致下限约为44 g/cm^2，尽管真实的表面密度可能高达100 g/cm^2或更高。强迫和自由波数-2模式之间的干扰产生了一个总波数-2模式，其振幅和方向不同，特征周期约为5.5年。我们还发现了局部扰动，包括3.5公里高的垂直结构，这为土卫一共振区的嵌入式大质量天体提供了间接证据。这种天体的存在得到了环边缘附近约0.3公里宽的阴影投射小卫星的支持。

Kronoseismology V: A Panoply of Waves in Saturn's C Ring Driven by High-Order Internal Planetary Oscillations

Saturn's rings act as a system of innumerable test particles that are remarkably sensitive to periodic disturbances in the planet's gravitational field. We identify 15 additional density and bending waves in Saturn's C ring driven by the planet's internal normal mode oscillations. Taking advantage of a highly accurate absolute radius scale for the rings, we are able to detect weak, high-wavenumber (up to m=14) waves with km-scale radial wavelengths. From a systematic scan of the entire C ring, we report the discovery and identification of 11 new Outer Lindblad Resonances (OLRs), two counterpar…

Saturn's atmospheric response to the large influx of ring material inferred from Cassini INMS measurements

During the Grand Finale stage of the Cassini mission, organic-rich ring material was discovered to be flowing into Saturn's equatorial upper atmosphere at a surprisingly large rate. Through a series of photochemical models, we have examined the consequences of this ring material on the chemistry of Saturn's neutral and ionized atmosphere. We find that if a substantial fraction of this material enters the atmosphere as vapor or becomes vaporized as the solid ring particles ablate upon atmospheric entry, then the ring-derived vapor would strongly affect the composition of Saturn's ionosphere and…

Orbital evolution of Saturn's satellites due to the interaction between the moons and massive Saturn's rings

Saturn's mid-sized moons (satellites) have a puzzling orbital configuration with trapping in mean-motion resonances with every other pairs (Mimas-Tethys 4:2 and Enceladus-Dione 2:1). To reproduce their current orbital configuration on the basis of Crida & Charnoz's model of satellite formation from a hypothetical ancient massive rings, adjacent pairs must pass 1st-order mean-motion resonances without being trapped. The trapping could be avoided by fast orbital migration and/or excitation of the satellite's eccentricity caused by gravitational interactions between the satellites and the rings (…

土星F环和普罗米修斯之间反对准结构的方位角通道的出现

Appearance of Saturn's F ring azimuthal channels for the anti-alignment configuration between the ring and Prometheus

在这篇文章中，我们探讨了F环与环和普罗米修斯之间的反对齐配置方面。我们把注意力集中在F环的方位角通道的形状上，这是由Porco等人（2005年）首次报道的，并由Murray等人（2005年）进行了数值探索，他们通过直接比较发现卡西尼号国际空间站的重新投影图像与他们的数值模型之间非常一致。我们发现，对于反对齐，通道更宽，并且在环材料内部更深。从我们的数值模型中，我们发现了一个新的功能，在海峡中间的岛屿。这个岛是由被普罗米修斯扰动最多的粒子组成的，只有当这颗卫星接近远心点时才会出现。此外，还得到了普罗米修斯不同轨道级的反排列构形图，并进行了讨论。

土星B环的数值模拟：颗粒摩擦作为自引力和粘性超稳定性之间的中介

Numerical Simulations of Saturn's B Ring: Granular Friction as a Mediator between Self-Gravity and Viscous Overstability

研究了B环的复杂光学深度结构。这种结构的来源可能是开普勒剪切和环粒子的自引力的复杂动力学。这些动态效应的结果敏感地依赖于粒子的碰撞和物理性质。两种机制可以出现，主导环的宏观物理结构：自重力尾流和粘性超稳定性。在这里，我们研究这两种机制之间的相互作用，通过使用我们最近开发的粒子碰撞方法，使我们能够更好地模拟粒子间的接触物理。我们发现，对于一个恒定的环的表面密度和颗粒的内部密度，粗糙表面的颗粒往往会产生轴对称的环的功能与粘性过稳定性，而光滑表面的颗粒产生自重力唤醒。

土星F环的增亮

The Brightening of Saturn's F Ring

图像测光显示，F环在卡西尼之旅期间的亮度大约是1980年和1981年旅行者号飞越期间的两倍。它的宽度也是它的三倍，并且具有更高的集成光学深度。我们对卡西尼号的窄角相机在五年内拍摄的4,800多张土星F环图像进行了光度测量。我们发现，在许多观察几何形状的环是不是光学薄，并应用基于单散射的阴影和遮蔽的存在下，得到一个平均有效的光学深度τ = 0.033的光度模型。来自旅行者PPS和卡西尼VIMS的恒星掩星数据验证了光学深度和宽度测量。与这种数十年尺度的变化相反，F环的基线特性从2004年到2009年没有发生显著变化。然而，我们已经调查了2006年底出现在环中的一个主要的明亮特征。这个短暂的特征使环的整体平均亮度增加了84%，并以91天的半衰期衰变。

天王星尘埃环和卫星以及土星F环的动力学

Dynamics of the dust rings and satellites of Uranus and of the Saturn's F-ring

天王星的$μ$环和$ν$环与Puck、Mab、Portia和Rosalind卫星组成了一个次级环月系统。这些环很脆弱，主要由微米颗粒组成，这些颗粒会受到太阳辐射压力的强烈干扰。我们对一个粒子样本在太阳辐射力和行星扁率影响下的轨道演化进行了数值分析，并结合了与近距离卫星的引力相互作用。最有可能的结果是碰撞和粒子沉积在这些卫星的表面上。由于这种机制往往会导致环的材料耗尽，我们调查了这些尘埃颗粒的其他来源。通过对行星际流星体流量的粗略估计，我们发现Mab的抛射可以产生一个光学厚度与观测相当的环。对F环尘埃带进行了类似的分析。由于土星的扁率的阻尼防止了偏心率的夸大变化，并增加了粒子的寿命。因此，使用卡西尼号图像对F环的光度研究显示，在过去的25年里，土星F环的亮度有了实质性的增长。卡西尼号和旅行者号的相位曲线形状相似，这表明尽管尘埃颗粒的数量增加了，但总体尺寸分布没有变化。在2007年晚些时候，当太阳穿过环平面时，在春分期间观察到了弥漫在天王星环中的尘埃带。使用VLT拍摄的图像经过处理，然后组合成长曝光帧。对于每个帧，提取南北径向轮廓。它们将用于开发光度模型。

基于Cassini VIMS数据的土星主环光谱与结构的联系

Connections between Spectra and Structure in Saturn's Main Rings Based on Cassini VIMS Data

土星的主环在广泛的空间尺度上表现出其不透明度和光谱特性的变化，这些参数之间的相关性可以提供对塑造环的组成和动力学过程的见解。卡西尼号航天器上的可见光和红外测绘光谱仪（VIMS）获得了0.35至5.2微米之间的环光谱，其空间分辨率足以分辨200公里以下尺度的变化。这些相对高分辨率的光谱数据表明，近红外水冰吸收带的深度和可见光谱斜率往往与环的光学深度等结构参数相关。使用一个简化的模型的环颗粒的风化层的属性，我们已经开始解开的趋势，由于环颗粒的总成分的变化，从那些可能是由于环颗粒的风化层的纹理的变化。与以前的研究一致，这项分析发现，C环和卡西尼分区具有增强的污染物浓度，吸收了广泛的波长范围内的光。另一方面，优先吸收短可见光和近紫外波长的第二种污染物被发现更均匀地分布在整个环。这种短波吸收体的光学活性在距离土星中心10万公里的B环内部增加，这可能为这种污染物的起源提供线索。在某些地方，被认为是风化层结构变化的光谱变化与环的光学深度明显相关，而在其他地方，它们似乎与土星各种卫星的强烈平均运动共振所产生的扰动有关。

土星A环外的纳米颗粒密度

Nanograin densities outside Saturn's A-ring

卡西尼等离子体和无线电科学仪器测量的离子和电子密度的径向依赖性之间所观察到的差异被用来表明土星主环和其纤细的G环之间的外缘区域渗透着小的带电颗粒（纳米颗粒）。这些颗粒从A环的边缘和从脆弱的F环和G环发出。这是土星磁层中相对未被探索的区域，但在2017年9月任务结束之前，它将成为卡西尼号F环轨道的焦点。这里预测的颗粒密度的确认将提高我们描述土星磁层这一重要区域物质形成和破坏的能力。

土星环中的弹道输运不稳定性I：形式主义和线性理论

The ballistic transport instability in Saturn's rings I: formalism and linear theory

行星环承受着超高速流星体的持续轰击，这些流星体在10^5 - 10^7年的时间尺度上侵蚀着行星环颗粒的表面。从这种撞击中喷射出来的碎片重新积聚在环上，尽管通常与发射点的轨道半径略有不同。这种“弹道输运”导致盘的质量和角动量重新排列，并引起线性不稳定性，从而在相对较大的尺度上产生结构。很可能土星B环内部100公里的波动和土星C环的高原和1000公里的波动与不稳定性的非线性饱和有关。在本文中的物理问题是重新制定，以便适用于一个局部补丁的磁盘（剪切片）。这种新的流线型模型有助于我们对不稳定性的物理理解，也使其非线性动力学分析更容易处理。我们集中在线性理论在本文中，显示的不稳定性被限制在一个优选的范围内的中间波数和光学深度。随后，我们将这些一般结果的内部B-环和C-环，并发现，在这两个地区的弹道输运不稳定性应接近边际，一个事实，可能有重要的后果，其流行和非线性发展。由于通过自重尾流的阻尼，不稳定性不应该出现在A环中。下面的文章将探讨不稳定的非线性饱和，以及它如何连接到所观察到的大尺度结构。

根据Cassini-CIRS远红外光谱推断土星环的风化层粒度

Regolith grain sizes of Saturn's rings inferred from Cassini-CIRS far-infrared spectra

我们分析了远红外（10-650厘米$^{-1}$）发射率光谱的土星的主要环的卡西尼复合红外光谱仪（CIRS）。在光谱建模中，使用Mie理论计算风化层颗粒的单次散射散射率，使用δ-爱丁顿近似去除衍射，并且使用Hapke的各向同性散射模型计算宏观自由漂浮的环形颗粒的半球发射率。仅考虑纯结晶水冰，并估计了风化颗粒的粒度分布。我们发现，如果尺寸分布范围从1 $μ$ m到1-10 cm，幂律指数为$ \sim 3$，则得到良好的拟合。这意味着，最大的风化颗粒的尺寸与最小的自由漂浮颗粒相当，并且自由漂浮颗粒和风化颗粒的幂律指数彼此相似。小颗粒的表观相对丰度随着太阳相位角的减小（或平均温度的增加）而增加。这种趋势是特别强的C环，可能是由日食冷却土星的阴影，这相对抑制升温的颗粒大于热趋肤深度（$\sim$ 1毫米）下随后的太阳照射。

小卫星在固体颗粒环中的迁移：理论和对土星推进器的应用

Migration of a moonlet in a ring of solid particles : Theory and application to Saturn's propellers

数百米大小的物体已经被卡西尼号宇宙飞船通过它们在环中创造的所谓的“螺旋桨”特征识别出来。这些小卫星应该迁移，由于它们与环的引力相互作用;事实上，已经检测到一些轨道变化。行星在原行星盘中的I型迁移的标准理论不能应用于环系统，因为它是无压的。因此，我们计算的差分扭矩感受到嵌入在一个二维磁盘的固体颗粒的小卫星，平面密度分布，分析和数值。我们发现，相应的迁移率太小，无法解释观测到的土星A环中螺旋桨轨道的变化。然而，局部密度波动（由于重力尾迹在引力稳定的边缘A环）可能会对小卫星施加随机扭矩。我们的模拟表明，根据环的参数，这个扭矩可以足够大，以解释观测结果。我们发现，在几年的时间尺度上，螺旋桨的迁移很可能是由随机效应主导的（而前者，非随机迁移占主导地位后，~ 10^{4-5}年）。在这种情况下，迄今为止的观测所提供的迁移率表明，A环的表面密度应该是700 kg/m^2左右。螺旋桨的年龄不应超过1至1亿年，这取决于主要的迁移制度。

土星环II中的弹道输运不稳定性：非线性波动力学

The ballistic transport instability in Saturn's rings II: nonlinear wave dynamics

陨石撞击产生的喷出物可以重新分配行星环的质量和角动量。这种环特性的“弹道输运”引发了一种线性不稳定性，这种不稳定性可能产生在土星内部B环和C环中观察到的100- 1000公里的波动。我们提出了半解析的结果，展示了如何稳定的不稳定性维持稳定行驶的非线性波列。在较低的光学深度，不稳定性产生近似正弦波的低振幅，我们确定与半径77,000和86,000公里之间的C环中观察到的。另一方面，光学深度为1或更大的表现出滞后，从而环落入多个稳定状态：均匀的背景平衡或大振幅波状态。B环中半径93，000和98，000 km之间的“平坦区”和“波动区”可能分别对应于稳定的均匀态和波动态。此外，我们测试的波列的线性稳定性，并表明，只有一个小的子集是稳定的。特别是，稳定的解决方案都具有波长大于最快的线性增长的长度尺度。我们补充我们的计算与弱非线性分析表明，C-环再现了一些复杂的金兹伯格-朗道方程的动力学。在该系列的第三篇论文中，这些结果将通过数值模拟进行测试和扩展。

Effects of immersed moonlets in the ring arc particles of Saturn

Ring arcs are the result of particles in corotation resonances with nearby satellites. Arcs are present in Saturn and Neptune systems, in Saturn they are also associated with small satellites immersed on them. The satellite Aegaeon is immersed in the G~ring arc, and the satellites Anthe and Methone are embedded in arcs named after them. Since most of the population of the arcs is formed by $μ$m-sized particles the dissipative effects, such as the plasma drag and the solar radiation force, decrease the lifetime of the arcs. We analysed the effects of the immersed satellites on these arcs by com…

Viscous Overstability in Saturn's Rings: Influence of Collective Self-gravity

We investigate the influence of collective self-gravity forces on the nonlinear, large-scale evolution of the viscous overstability in Saturn's rings. We numerically solve the axisymmetric hydrodynamic equations in the isothermal and non-isothermal approximation, including radial self-gravity and employing transport coefficients derived by Salo et al. We assume optical depths of 1.5-2 to model Saturn's dense rings. Furthermore, local N-body simulations, incorporating vertical and radial collective self-gravity are performed. Vertical self-gravity is mimicked through an increased frequency of v…

引力行星环和土星B环外缘的N体积分器

An N-body Integrator for Gravitating Planetary Rings, and the Outer Edge of Saturn's B Ring

介绍了一种新的辛N体积分器，该积分器用于计算绕扁行星轨道运行的自引力行星环的全局360度演化。这个免费提供的程序叫做epi_int，它与其他类似的程序不同之处在于它使用流线来计算环自引力的影响。这种方法的最大优点是，扰动力来自环物质的光滑线，而不是离散的粒子，因此引力散射非常小，因此只需要少量的粒子来模拟共振限制环的扇形边缘或螺旋密度波的传播。该代码被应用于土星B环的外缘，并将卡西尼测量的环的强迫响应与模拟的土卫一共振扰动进行比较，发现B环外缘的表面密度为195 +-60 gm/cm ^2，如果环内各处都是相同的话，这意味着B环的质量约为土卫一质量的90%。卡西尼号的观测显示，B环边缘有几个自由简正模，它们是环边缘的长期扰动，不受任何已知的卫星共振驱动。虽然激发或维持这些正常模式的机制是未知的，但我们可以在模拟环的边缘植入这样的扰动，并发现这些模式在没有任何阻尼的情况下持续超过10^5个轨道或100年，尽管模拟环的粘度为100厘米^2/秒。这些模拟还表明，环上的脉冲扰动可以激发长寿命的正常模式，这表明最近可能是彗星碎片云的撞击可能激发了这些扰动，这些扰动在土星的许多尖锐边缘环中很常见。

土星内部中型卫星从巨大原始冰环中的吸积

Accretion of Saturn's Inner Mid-sized Moons from a Massive Primordial Ice Ring

土星的环是岩石贫乏，包含90%-95%的冰质量。作为一个群体，土星的卫星内部，包括特提斯也约90%的冰。土卫三本身的岩石质量小于6%，而其外邻土卫四的岩石质量大于40%。在这里，我们模拟了一个巨大的原始冰丰富的环和卫星的生产环材料传播超过罗氏限制的演变。我们描述的Roche内环的解析模型，并使用N体代码来描述超过Roche极限的材料。我们跟踪的吸积和衍生卫星的相互作用，包括潮汐与行星的相互作用，假设潮汐耗散因子为土星的$Q~10^4$。我们发现，环扭矩和捕获的卫星相互共振产生一个系统的冰丰富的内卫星，向外延伸到大约特提斯的轨道在$10^9$年，即使相对缓慢的轨道膨胀，由于潮汐。由此产生的卫星质量和半长轴分布类似于土卫一、土卫二和土卫三。我们估计的质量岩石交付到卫星的外部彗星撞击在后期重轰炸。我们发现，内卫星接收的岩石质量与它们目前的岩石总含量相当，而土卫四和土卫五接收的岩石数量级低于它们目前的岩石含量。这表明外部污染可能是内卫星岩石的主要来源，土卫四和土卫五是由更多的岩石形成的。再现岩石在当前内卫星中的分布是具有挑战性的，并且似乎需要大的撞击物随机性和/或在初始环中存在一些岩石。

嵌入土星环的“螺旋桨”卫星的物理特征和非开普勒轨道运动

Physical characteristics and non-keplerian orbital motion of "propeller" moons embedded in Saturn's rings

我们报告了在土星A环的外部发现了几个大的“螺旋桨”卫星，这些物体足够大，可以在卡西尼号任务的5年时间内进行跟踪。这是有史以来发现的第一个可以作为单独卫星跟踪的物体，但不是在真空中运行。我们推断，在螺旋桨状结构的中心看不见的小卫星的大小可达1- 2公里，尽管螺旋桨结构的许多结构和光度特性仍不清楚。最后，我们证明了一些螺旋桨进行持续的非开普勒轨道运动。(Note：这篇论文的arXiv版本包含了由于空间不足而被ApJL版本遗漏的补充表格）。