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土衛(wèi)三（Tethys），又名特提斯、土星III，是圍繞土星運行的一顆衛(wèi)星。土衛(wèi)三是土星的第五大衛(wèi)星，其形狀不規(guī)則，平均半徑為533km，尺寸為1076.8×1057.4×1052.6km。其質量約為6.17×1020kg（0.000103地球質量）。土衛(wèi)三的軌道距離土星295000km，繞土星一周需要45.3小時。

土衛(wèi)三被認為是由土星的吸積盤或亞星云形成，且土衛(wèi)三中水冰比例極高，但原因仍然無法解釋。土衛(wèi)三呈三軸橢球體形狀，其表面有許多顏色各異、有時亮度各異的典型特征。土衛(wèi)三的地質相對簡單，其表面大部分為丘陵，并布滿隕石坑，主要的兩個特征為奧德修斯撞擊坑以及伊薩卡峽谷。

1684年，天文學家喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)三與土衛(wèi)四，并將這兩顆衛(wèi)星與土衛(wèi)五、土衛(wèi)八一起命名為“路易之星”。天文學家約翰·赫歇爾（John Herschel）在《好望角天文觀測結果》一文中建議以泰坦·克洛諾斯兄弟姐妹的名字命名當時已知的土星衛(wèi)星，而后土衛(wèi)三便以泰坦女神特提斯（Tethys）命名。1979年，先驅者11號宇宙飛船飛越土星，而后旅行者1號探測器和2號探測器先后也對此天體進行探測，并拍攝土衛(wèi)三的照片。2004年，卡西尼號航天器進入土星軌道，并于2005年9月以1503km的距離對土衛(wèi)三進行一次近距離的目標飛越。而后卡西尼號在距離土衛(wèi)三約數萬公里的地方進行了多次非定向接近。

發(fā)現(xiàn)與命名

發(fā)現(xiàn)

1684年，天文學家喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）利用法國巴黎天文臺的航空望遠鏡發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)三與土衛(wèi)四，他早年還發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)五和土衛(wèi)八。而后，卡西尼將這四顆衛(wèi)星命名為“路易之星”，以紀念法國國王路易十四。到了十七世紀末，天文學家們習慣上將它們和土衛(wèi)六稱為土星的第一至第五顆衛(wèi)星。1789年，威廉·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel）發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)二后，將編號方案擴展到土星七號，將較老的五顆衛(wèi)星向上提升了兩個位置。1848年發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)七號后改變了編號，將伊阿帕托斯提升到土星第八顆衛(wèi)星。此后，編號方案保持不變。

命名

土星所有七顆衛(wèi)星的現(xiàn)代名稱均來自天文學家約翰·赫歇爾（John Herschel）。1784年，赫歇爾在《好望角天文觀測結果》一文中建議以泰坦·克洛諾斯兄弟姐妹的名字命名當時已知的土星衛(wèi)星。因其認為土星的衛(wèi)星與希臘神話中克洛諾斯的兄弟姐妹有關（克洛諾斯相當于希臘神話中的羅馬神土星），而土衛(wèi)三便以泰坦女神特提斯（Tethys）命名，也被稱為“土星III”。

起源與演化

土衛(wèi)三被認為是由吸積盤或亞星云（土星形成后一段時間內在其周圍存在的由氣體和塵埃組成的圓盤）形成的。土星在太陽系中所處的位置較遠，意味著土星衛(wèi)星的溫度較低，主要由固態(tài)水冰構成。而其他更易揮發(fā)的化合物，如氨和二氧化碳也可能在衛(wèi)星中存在，但其含量未知。

土衛(wèi)三中水冰比例極高，但原因仍然無法解釋。土星亞星云的條件可能有利于氮分子和一氧化碳分別轉化為氨和甲烷。這可以部分解釋為什么包括土衛(wèi)三在內的土星衛(wèi)星含有比冥王星或海王星衛(wèi)星一等外太陽系天體更多的水冰，因為從一氧化碳中釋放出的氧氣會與氫反應形成水。還有一種假設表明環(huán)和內部衛(wèi)星的形成是由地殼中冰含量高的大衛(wèi)星（如土衛(wèi)六）在被土星吸收之前被潮汐力摧毀。

在土衛(wèi)三形成之前，吸積過程可能持續(xù)了幾千年。模型表明，伴隨吸積的撞擊導致土衛(wèi)三散逸層升溫，在約29km的深度處達到約155K的最高溫度。在形成完成后，由于導熱性，表層被冷卻，而內層被加熱。冷卻的近地表層收縮，內部膨脹。這導致土衛(wèi)三地殼產生強大的拉伸應力，達到估計的5.7MPa，這可能導致裂縫的形成。因土衛(wèi)三巖石成分較少，因此放射性元素衰變產生的熱量不太可能在其進一步演化中發(fā)揮重要作用。這也意味著土衛(wèi)三從未經歷過明顯地融化，除非其內部被潮汐加熱。該種情況可能發(fā)生在土衛(wèi)三通過與土衛(wèi)四或其他衛(wèi)星的軌道共振期間。

星體性質

基本綜述

土衛(wèi)三是土星的第五大衛(wèi)星。它的形狀不規(guī)則，平均半徑為533km，尺寸為1076.8×1057.4×1052.6km。其質量約為6.17×1020kg（0.000103地球質量），土衛(wèi)三是太陽系中的第16大衛(wèi)星，并且其質量超過其他已知的且比它更小的所有衛(wèi)星總和。土衛(wèi)三的密度是0.98g/cm3，是液態(tài)水的0.97倍，這表明土衛(wèi)三幾乎完全由水冰加上少量巖石組成。尚不清楚土衛(wèi)三是否分化為巖石核心和冰幔。但如果區(qū)分的話，核心的半徑不超過145km，其質量占總質量的6%以下。由于潮汐力和自轉力的作用，土衛(wèi)三呈三軸橢球體形狀。該橢球體的尺寸與其內部均勻一致。地下海洋（土衛(wèi)三內部的一層液態(tài)鹽水）的存在被認為是不可能的。

土衛(wèi)三在可視范圍內具有1.229的高反射率（或幾何反照率），再次表明其主要由水冰組成，在土衛(wèi)三平均溫度為-187℃的情況下，其行為就像巖石一樣。土衛(wèi)三上的許多火山口底部都是明亮的，這也表明存在豐富的水冰。土衛(wèi)二上的間歇泉所產生的土星E環(huán)水冰粒子對土衛(wèi)三的轟擊也造成了高反射率。土衛(wèi)三的前半球比后半球亮10-15%。土衛(wèi)三的表面幾乎是由純水冰組成，幾乎沒有深色物質。衛(wèi)星的光譜在可見光范圍內沒有明顯的細節(jié)，而在近紅外范圍（波長為1.25、1.5、2.0和3.0μm）則包含水冰的強吸收帶。除了冰之外，土衛(wèi)三上沒有發(fā)現(xiàn)任何化合物（但有關于存在有機物質、氨和二氧化碳的假設）。這種暗物質具有與土星其他暗衛(wèi)星土衛(wèi)八和土衛(wèi)七表面相同的光譜特性。最有可能的是，這是高度分散的鐵或赤鐵礦。卡西尼號的熱發(fā)射測量和雷達觀測表明，土衛(wèi)三表面的冰凍風化層結構復雜，孔隙率大，超過95%。

顏色

土衛(wèi)三的表面有許多顏色各異、有時亮度各異的大型特征。當接近運動的反頂點時，后半球變得越來越紅和暗。這種變暗是造成上述半球反照率不對稱的原因。當接近運動的頂點時，前導半球也會稍微變紅，但沒有任何明顯地變暗。這種分叉的顏色圖案導致半球之間存在一條藍色帶，沿著穿過兩極的大圓。土衛(wèi)三表面的這種顏色和變暗是土星中型衛(wèi)星的典型特征。其起源可能與來自E環(huán)的明亮冰粒子沉積在前半球上以及來自外部衛(wèi)星的暗粒子沉積在后半球上有關。后半球變暗也可能是由土星磁層等離子體的影響造成的，土星磁層與行星共同旋轉。

在土衛(wèi)三的前半球觀測中發(fā)現(xiàn)了一條從赤道向南和向北跨越20°的深藍色帶。該帶具有橢圓形形狀，隨著接近后半球而變得越來越窄。類似的樂隊只存在于土衛(wèi)一上。該帶幾乎肯定是由來自土星磁氣層的能量大于約1MeV的高能電子的影響造成的。這些粒子沿著與行星自轉相反的方向漂移，并優(yōu)先影響靠近赤道的前半球區(qū)域。卡西尼號獲得的土衛(wèi)三溫度圖顯示，這個藍色區(qū)域在中午比周圍區(qū)域涼爽，使衛(wèi)星在中紅外波長下呈現(xiàn)出“吃豆人”般的外觀。

地質

土衛(wèi)三的地質相對簡單。其表面大部分為丘陵，并布滿隕石坑（以直徑超過40km的隕石坑為主）。后半球表面的一小部分覆蓋著光滑的平原。那里還有構造結構——峽谷和洼地。

土衛(wèi)三主半球的西部主要是奧德修斯撞擊坑，其直徑為450km，幾乎是土衛(wèi)三本身直徑的2/5。隕石坑現(xiàn)在較為平坦，它的底部符合土衛(wèi)三的球形形狀。這很可能是由于地質時期土衛(wèi)三冰殼的粘性松弛所致。但奧德修斯的邊緣頂部比衛(wèi)星平均半徑高出約5km。奧德修斯的中心有一個深2至4km的中心坑，周圍環(huán)繞著高出火山口底部6至9km的山體，而火山口本身比平均半徑低約3km。

土衛(wèi)三上的第二個主要特征是一個名為伊薩卡峽谷的巨大山谷，寬約100km，深3km。它的長度超過2000km，大約是土衛(wèi)三周長的3/4。伊薩卡峽谷約占土衛(wèi)三表面的10%。它與奧德修斯大致同心——伊薩卡峽谷的極點距火山口僅約20°。研究表明，伊薩卡峽谷是在土衛(wèi)三內部液態(tài)水凝固時形成的，導致衛(wèi)星膨脹并使表面破裂以容納內部的額外體積。地下海洋可能是太陽系歷史早期土衛(wèi)二和土衛(wèi)三之間2:3軌道共振的結果，導致了土衛(wèi)三內部的軌道偏心率和潮汐加熱。當衛(wèi)星擺脫共振后，海洋就會結冰。關于伊薩卡峽谷的形成，還有另一種說法：當造成奧德修斯大隕石坑的撞擊發(fā)生時，沖擊波穿過土衛(wèi)三，使冰冷、脆弱的表面破裂。在這種情況下，伊薩卡峽谷將是奧德修斯最外面的環(huán)形地塹。但根據高分辨率卡西尼號圖像中的隕石坑計數確定的年齡表明，伊薩卡峽谷比奧德修斯更古老，使得撞擊假設不太可能。

后半球的光滑平原大約位于奧德修斯的另一側（但是它們從正好相反的點向東北延伸約60°）。平原與周圍坑坑洼洼的地形有一個相對尖銳的邊界。它們的位置靠近奧德修斯的對映體，這可能是它們與隕石坑有聯(lián)系的標志。這些平原可能是由于在相反半球中心形成奧德賽的撞擊產生的地震波聚焦而形成的。但平原的光滑度及其尖銳的邊界（地震波會產生寬闊的過渡區(qū)）表明它們是由地下涌流形成的（可能沿著奧德修斯形成期間出現(xiàn)的土衛(wèi)三巖石圈斷層）。

隕石坑和年齡

土衛(wèi)三上的大多數隕石坑都有一個簡單的中心峰。直徑超過150km的山峰有更為復雜的環(huán)形山峰。只有奧德修斯隕石坑有一個類似中央坑的中央凹陷。老隕石坑的深度低于新隕石坑，這與地殼的松弛程度有關。土衛(wèi)三表面的撞擊坑密度各不相同。隕石坑密度越高，表面越古老。這使得科學家能夠為土衛(wèi)三建立一個相對年代表。這個坑坑洼洼的地形是最古老的單位，可能追溯到45.6億年前太陽系的形成。最年輕的單位位于奧德修斯隕石坑內，估計年齡為3.76至10.6億年。從隕石坑的集中程度來看，伊薩卡峽谷比奧德修斯更古老。

軌道性質

土衛(wèi)三的軌道距離土星295000km，繞土星一周需要45.3小時。與除了兩顆主要土星衛(wèi)星之外的所有衛(wèi)星一樣，土衛(wèi)三與其母行星潮汐鎖定，其同一面始終面向土星。土衛(wèi)三的軌道偏心率可以忽略不計，軌道傾角約為1°。土衛(wèi)三與土衛(wèi)一處于傾斜共振狀態(tài)；因各自天體的重力較低，這種相互作用不會引起任何明顯的軌道偏心率或潮汐加熱。土衛(wèi)三的軌道位于土星磁層深處。其不斷受到磁層中存在的高能粒子（電子和離子）的轟擊。

土衛(wèi)三通過引力將兩顆較小的衛(wèi)星——特萊斯托（Telesto）和卡呂普索（Calypso）鎖定在其子系統(tǒng)中。這些較小的衛(wèi)星被固定在拉格朗日點（分別為L4和L5），在這些點上物體對于較大的主控天體是穩(wěn)定的。這三顆衛(wèi)星之間間隔60度，并作為一個整體繞土星運行，首先是特萊斯托衛(wèi)星，然后是土衛(wèi)三衛(wèi)星，最后是卡呂普索衛(wèi)星。土衛(wèi)三和其他土星衛(wèi)星擁有此類天河體育中心的事實表明，它們各自的拉格朗日點在數百萬年來一直保持穩(wěn)定，不受外界影響。

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