木星的四颗最大卫星被称为伽利略卫星。这张合成图像从左到右依次显示了木卫一、木卫二、木卫三和木卫四。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室德国航空航天中心
木星和土星是太阳系中最大的两颗行星，以其庞大且多样的卫星系统而闻名。木星已知的卫星数量超过100颗，而土星的已知卫星数量则是其两倍以上，超过280颗。不过，木星的卫星系统包括四颗大型卫星——木卫一、木卫二、木卫三和木卫四，其中包含太阳系中最大的卫星（木卫三）。同时，土星的卫星系统以一颗大型卫星（土卫六）为主，它是太阳系中第二大的卫星。
由于这两颗行星都是气态巨行星，且被认为有着相似的形成历史，这种差异的原因长期以来一直是天文学家的未解之谜。这促使中日两国的研究人员开展合作，建立一个物理上自洽的模型来解释多个系统。通过考虑磁吸积，他们表明年轻气态巨行星吸积盘中磁层空腔的形成可以解释这两个卫星系统之间的差异。
该团队由京都大学人和环境研究研究生院及名古屋大学理学院的研究员藤井由利（YuriI.Fujii）领导。他与上海交通大学暗物质物理国家重点实验室及东京工业大学的荻原雅弘副教授，以及冈山大学和日本三鹰天体生物学中心的堀康典副教授合作。详细阐述其研究成果的论文已发表在《自然天文学》期刊上。
本研究中所做模拟的艺术家印象图。图片来源：YuriI.FujiiLINSIGHT（京都大学）ShinichiroKinoshita
近年来，科学家们一直在重新思考卫星形成模型，这在很大程度上是由于对恒星磁场作用的研究。在这个过程中，行星的磁场控制着其周围物质如何落到行星上并形成结构。藤井表示：测试行星形成理论有些困难，因为我们只有太阳系作为参考，但我们附近有多个卫星系统，其详细特征是我们可以观测的。
为了确定木星和土星的热性质及磁场随时间的变化情况，藤井及其同事对年轻气态巨行星的内部结构进行了数值模拟。他们还利用日本国立天文台计算天体物理学中心的PC集群，对这两颗行星周围的环行星盘以及卫星形成和轨道迁移进行了模拟。
他们的研究结果表明，这两个系统之间的差异可以用行星磁场的强度来解释。就木星而言，其强大的磁场（太阳系中最强，达417微特斯拉）在行星周围的星盘中形成了一个磁层空腔，这可能捕获了木卫一、木卫二和木卫三。相比之下，土星的磁场（21微特斯拉）太弱，无法形成空腔，因此正在迁移的卫星无法在其星盘中存活。
这些发现或许也能解释为何木卫四（Callisto）不具备木卫一（Io）、木卫二（Europa）和木卫三（Ganymede）那样的特征轨道共振（14）。它们也为未来的系外行星研究提供了基础，这些研究包括对系外卫星以及年轻气态巨行星周围的环行星盘的观测。质量与木星相似（或更大）的气态巨行星可能会演化出紧凑的多卫星系统，而类土星的气态巨行星则最有可能形成一到两颗大型卫星和若干小型卫星。该团队期待扩展这一理论，以解释其他卫星系统（天王星和海王星的卫星系统）以及潜在的系外卫星系统。
BY: Matthew Williams
FY: AI