科学家们推测土星环可能相当年轻

撰文:Nadia Drake

  土星以其标志性的美丽星环而备受关注。但是,这些星环究竟形成于何时?最近,天文学家经过对卡西尼号探测器传回数据的分析,发现土星环的形成时间,可能不会早于恐龙时代。
 
  土星环是太阳系最吸引眼球的物体之一。但是你知道吗,它们存在的历史其实并不久。一项新研究发现,土星美丽的星环可能很年轻,年轻到恐龙抬头望去,或许都只能看到一个平平无奇、麦秆色的土星,周围只有一个星环,那个星环当时还很巨大。
 
  “即便用肉眼看去,那时的土星也与金星一样亮,而且呈现很显著的椭圆形。”搜寻地外文明研究所的Matija Cuk说,“如果恐龙拥有与鸟一样的视力,它们肯定能看到土星环。不过,估计它们并不在乎。”
 
  幸运的是,人类出现的时间刚刚好,恰好能看到壮美的星环。据美国宇航局卡西尼号探测器传回的新数据,土星环的年龄可能只有一亿至两亿年,因此,哺乳动物是唯一一个在土星环出现之后才形成的生物类别。鱼类、爬行动物、鸟类和植物,都早就出现了。
 
  卡西尼号探测器最后的观测结果显示,土星环的年龄,与45亿年前形成的土星相差甚远。卡西尼号团队在12月份的美国地球物理联合会年会上展示了初步的研究成果。
 
  美国宇航局的Jeff Cuzzi称:“原来我们的太阳系如此有活力,真是有趣。大多数科学家总是假定我们在宇宙中所观测到的东西都是永恒的、亘古不变的。”
 
锻造“星环”
 
  大约400年前,伽利略用望远镜首次看到了土星环,而它在我们临近的太空中,可谓十分独特。木星、天王星和海王星等巨行星周围的星环,都更为暗淡,而且不规则,在土星明亮而又华丽的星环面前相形见绌。
 
  不过,自从20世纪80年代,旅行者号探测器飞掠土星之后,科学家们就开始怀疑,到底土星标志性的星环是否是原生性的,即是否与太阳系一同诞生的?
 
  “问题来了,这些星环到底是老还是年轻?”喷气推进实验室的Bonnie Buratti不禁问道,“我们大多数人都认为,是一场碰撞造就了星环,但是,这场碰撞到底是发生在很久以前还是不久以前?”
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
这张标志性的土星星环照片,由卡西尼号探测器的相机拍摄。供图:NASA, JPL-CALTECH, SPACE SCIENCE INSTITUTE
 
  旅行者号探测器发回的数据显示,土星环并不很重,暗示其还很年轻。土星环的质量,仅占小卫星土卫一质量的几分之一,因此,其质量不足以将外太阳系飘浮的暗黑尘埃吸收进来,不应该在数十亿年里都一直保持如此亮丽。此外,绕着星环外围公转的几颗卫星,远离土星的速度也太快了,不应该是在土星诞生之日就存在的。
 
  但是,谁也说不清楚到底如此年轻的土星环系统是怎么形成的。另一方面,形成原始的星环则相对容易:当初,太阳系周围的行星物质像台球一样四处乱窜,偶尔相互撞击;而土星周围发生的撞击一定很多,多到足以形成原始的土星环。
 
  “所有的灾难性事件都是最初发生的。”Cuzzi说道。
 
  不过,随着太阳系年龄增长,万物都沉寂下来。时至今日,在土星这样的轨道上,已经很难找到一颗大到可以能俘获星环的彗星或小行星了。
 
时机问题
 
  卡西尼号探测器盛大谢幕后,科学家们开始研究其数据,这一谜题又变得愈加扑朔迷离了。
 
  在探索土星的最后阶段,卡西尼号探测器勇敢地进行了几轮公转。在土星与土星环之间飞过时,卡西尼号仔细地测量了土星和土星环的引力,并用来测定土星环的质量。其数据再次显示,土星环的质量相当小,约为土卫一质量的40%。但是,也有一个难点:当卡西尼号探测器试图窥探土星的内部时,它发现了一个重力异常,研究团队无法完全确定星环的准确质量。
 
  “土星内部存在非常奇怪的东西,似乎还没有谁能搞得懂。”Cuzzi说道。
 
  然而,即便土星环的质量尚且无法确定,Cuzzi及其他人也都认为,即使在太阳系形成初期,它的质量也不可能相当于5到10个土卫一。
 
  但是,质量并非衡量星环年龄的唯一指标。卡西尼号探索土星的13年间,发现了坠入土星系统的尘埃粒子,比科学家们30年前估测的要多很多。该探测器还探明,大多数这些尘埃微粒都来自于海王星轨道以外的、暗黑而又冰冷的天体。简而言之,土星系统一直在遭受外来暗黑尘埃的“污染”。
 
  如此一来,古老的星环就更不可能保持光亮了,因为,简单地说,星环越老,就应该会越暗。因此,科学家只要能测出卡西尼号捕捉到了多少这些暗黑的尘埃微粒,就能测定星环的年龄。最终,科学家用这个方法测定出土星环的年龄介于一亿年和两亿年之间。
 
  科罗拉多大学波德分校的Larry Esposito是原生星环理论的坚定支持者。他认为:“古老的星环其实已经死去。我无法用模型模拟出过去两亿年里星环的诞生过程,因为可能性太低了,所以,我们真的太幸运了!”
 
  但是,并非所有人都对此结论表示信服。Buratti称,我们其实不知道土星附近有多少东西在飞;不明确这一点,就很难估测最近一次灾难性的碰撞发生在什么时间。
 
  她说:“我并不认为这是一个简单的事。我仍然对此存疑。”
 
  美国西南研究院的Julien Salmon所构建的模型表明,当前的星环质量并不一定就能反映出最初的星环质量。他同样也不认同暗黑的污染物质会简单地聚集在冰冻的星环粒子上。
 
  他说:“在我们给星环年龄下定论之前,需要弄清楚很多东西。”
 
戴上星环
 
  事实上,如果土星真的在相对较近的时间内才拥有星环,那就很难解释其成因,因为,似乎没有什么较大的彗星或小行星能与土星发生撞击。
 
  这一点正是MatijaCuk及其同事们着手研究的地方。他们提出,假如土星并不是吸收外来物质,而是吞噬了自己的一颗卫星呢?
 
  据Cuk的模型描述,土星及其众多冰冻卫星已经围绕太阳运转了几十亿年,相安无事,直至一亿年前的某天,太阳的引力推了一把土星某颗内侧的卫星。Cuk的模型显示,在土星轨道的某个点上,那些冰冻卫星会受到太阳的扰动。太阳这下子找到了乐子,推一把卫星,卫星就撞上了土星,土星的冰冻外壳也随之破裂。
 
  Cuk说:“卫星被完全撞碎了也有可能。”
 
  卫星撞碎的后果十分壮观,可能给土星戴上了巨大的星环,其大小和亮度可能是我们现在看到的10倍。
 
  Cuk的卫星撞击理论的一个推论是,土卫五以内的所有卫星都很年轻;它们都是土星沉寂下来之后,又重新拼凑形成的。土卫五轨道之外的土卫六和土卫八则比较古老。由此看来,能喷射间歇泉的土卫二可能相当年轻,甚至可能太过于年轻,其海洋中还不足以孕育出生命来。
 
  还有一个难题是,土卫六、土卫五、土卫四、土卫一等卫星表面遍布着复杂的撞击坑地貌,似乎相当古老。
 
  Buratti说:“我认为,所有这些地貌都不可能是在过去两亿年中形成的。这些地表看起来十分古老。”
 
  无论星环多么古老或多么年轻,可以肯定的是,在可见的未来,它们哪都不会去。换言之,人类真的相当幸运,能在恰好的时机,进化出可以制造望远镜的大脑,恰好看到这些美丽的星环。
 
  那么,再过一亿年,土星环会消失吗?“答案是不会,”Cuzzi说,“眼下,它们很稳定,足以维持相当长一段时间。只不过,它们会变得越来越黯淡。”
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
2009年8月,美国宇航局的卡西尼号探测器成为首个目睹土星昼夜平分点的地球探测器。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
2000年12月,卡西尼号探测器在飞往土星的途中到访木星,并近距离飞掠。这张木星的真彩拼图,是探测器上的窄角相机拍摄的众多照片拼接而成的。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
卡西尼号从18万千米的地方,拍到了冰冻土卫六的精细图像。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
土星在星环上投射下了深深的阴影。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
这张拼图,是迄今为止木星最精细的全球彩色全图。这张立体投影图上,中心位置是木星南极,边缘是其赤道。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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卡西尼号在进入土星轨道前9天,拍下了这张精美的土星环天然色彩照片。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
土卫六南极附近的“老虎条纹”地貌中,喷射出了冰冻粒子、水蒸汽和有机化合物。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
卡西尼号探测器拉近镜头,观察土卫八上的一片山脉。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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2017年3月卡西尼号拍摄的这些立体图像,凸显出土卫十八奇异的形状。供图:NASA, JPL, SPACE SCIENCE INSTITUTE
 
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宏伟的星环拥抱着土星。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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土星动态的F环包含着许多种神秘的特征,比如明亮的凸起和喷流。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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土卫一、土卫二、土卫三同时出现在卡西尼号探测器拍摄的画面中。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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2016年底,土星的北极地区沐浴在阳光之中。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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从土星一侧望去,其上层大气产生了一圈模糊的薄雾。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
卡西尼拍摄这张照片所用的是能被甲烷吸收的波长。黑暗的区域,云层较厚,光线进出大气层,必须穿过更多的甲烷。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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卡西尼号探测器发现,土卫六的北极地区撞击坑很多,暗示该地区地表已经多年没有恢复。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
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2017年,卡西尼号准备坠入土星时,首次拍摄到了土星的主星环系统外缘。供图:NASA, JPL, CASSINI
 
科学家们推测土星环可能相当年轻
卡西尼号探测器前往土星的征程始于1997年10月15日。Titan IVB/Centaur型火箭将其送入太空,而卡西尼号探测器上还搭载着惠更斯号探测器。供图:NASA
 
(译者:mikegao)
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