土星环有多老？ 争论仍在继续

在我们太阳系的奇观中，有一个堪称所有外星和超凡脱俗事物的象征：雄伟的土星环，灿烂夺目地升起在巨大的行星黄油般的云层交错的表面之上。

这些环从一端到另一端延伸近 30 万公里，包含无数冰粒子，大小从“微观”到“移动房屋”不等，这使得土星无疑引人注目。但它们不仅仅是装饰品，还是行星科学中最持久的谜团之一。简而言之，专家们无法就环是如何形成的，甚至它们有多老达成一致意见。土星的环是太阳系原始特征吗？大约在 45 亿年前，当混乱和碰撞塑造了我们今天看到的大部分事物时就出现了吗？还是它们出现得更晚近？

答案不仅对致力于了解行星环和重建太阳系历史的科学家至关重要；它还可能对天体生物学家产生令人眼花缭乱的影响，他们想知道外星生命是否可能在土星的小型内卫星土卫二的冰冷地壳下繁衍生息，土卫二的地下全球海洋被认为是寻找地球以外生物的最佳地点之一。

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虽然并非最终定论，但解决这场辩论的最佳可用数据来自 NASA 卡西尼号航天器的最后几年，该航天器于 2004 年至 2017 年绕土星运行。根据卡西尼号对环的质量和亮度的测量，许多科学家现在认为它们非常年轻，可能在1 亿年前才突然出现，当时恐龙仍在地球上漫游——这意味着，如果通过某种蜥蜴望远镜观察，土星可能奇异地没有环。

但并非所有人都信服；一些批评家说，在现在和不久前的相对平静的太阳系中制造如此广阔的环实在是太难了。

“我不反对年轻的环。我只是认为没有人找到一种非常合理的制造它们的方法，”西南研究所的环专家卢克·多恩斯说。“这需要一个不太可能发生的事件。”

数十年的争论

今天关于土星环起源的争论可以追溯到几十年前，主要是因为星际旅行者 1 号和旅行者 2 号任务首次近距离探测该系统。这些观测暗示，这些环出奇地轻，缺乏足够的重量来在太阳系数十亿年的历史中保持其珍珠般的光泽。这些环似乎非常年轻——但理论家们努力设计一种机制来解释它们相对近期的形成。

然后卡西尼号来了。在任务结束时，航天器在土星云顶和环系统最内缘之间进行了二十多次大胆的俯冲。当它穿过针眼时，卡西尼号仔细测量了环的质量，得出的数字与旅行者号相似：大约是土卫一质量的一半，土卫一是一颗小型冰卫星，与《星球大战》中的“死星”空间站有着惊人的相似之处。

但这只是故事的一部分。在任务早期，航天器还掠过环的边缘，收集尘埃和其他粒子，以帮助估计这些结构从周围环境中吸收了多少黑暗碎片——这是确定其年龄的另一个关键测量。与对系统质量的测量一样，卡西尼号对土星附近尘埃的读数进一步暗示了年轻的环：尽管不断受到来自外部太阳系暗淡物体的黑暗碎片的影响，土星的水冰环仍然是亮白色的。正如逻辑所推断，环越老，它们应该越暗——除非它们足够巨大，可以在数十亿年的时间里积累黑暗尘埃，同时仍然保持其年轻的光泽。

西南研究所的罗宾·卡努普将这一证据线称为年轻环的“污染论证”。她说：“环是明亮的事实以某种方式告诉我们，它们没有被有效地污染，或者至少我们没有看到污染的证据。”

其他观测表明，环不仅在吸收物质，而且还在大量损失物质，不断地将冰粒子雨送入行星大气层。事实上，根据一项估计，这种冰粒子雨可能会在 3 亿年内耗尽环，因此土星最独特的特征似乎确实可能是短暂的。

“它们可能存在 45 亿年的想法真的让我无法解释，”亚利桑那大学研究土星环及其众多卫星之间相互作用的埃里克·阿斯普豪格说。

年轻的环，按需制造

即便如此，仍然有许多有力的论据反对土星所谓的年轻环。事实证明，如此近期制造如此广阔的环系统绝非易事；几率对它不利。当然，这颗行星可能已经撕碎了一颗过路的彗星的全部或一部分，将剥离的残骸散布成环；或者，是的，可能一颗闯入的天体撞击了土星的一颗卫星，从飞溅的、粉碎的卫星碎片中形成了环。但对于任何诚实的理论家来说，这种按需定制的场景都带有特殊恳求的意味。

“我们确实对有多少彗星在外部太阳系中飞行有一个相当好的了解，而且你根本没有足够的彗星来使这种情况成为可能，”多恩斯说。“在最近数亿年的时间里，发生这种情况的几率可能只有百分之几。”

但假设根本没有彗星参与——环的母体完全来自土星系统内部而不是外部。在研究这颗行星近距离卫星的奇特轨道时，SETI 研究所的马蒂亚·丘克和他的同事们发现了一些令人惊讶的事情。在追踪这些卫星轨道回溯时间的计算机模型中，大约在 1 亿年前，一切都变得有点不正常，卫星被推到今天根本没有观察到的轨道上。

“它们的轨道确实比我们观察到的更大幅度地被撞出土星赤道平面，”丘克说。“这意味着我们正在建模的这段历史从未发生过，而当前的卫星必然比那更年轻。”

换句话说，早期的卫星系统一定被重新排列成我们今天看到的系统。

起初，尚不清楚是什么可能引发了这种重新排列，但随后的研究指出了一个意想不到的罪魁祸首：太阳。即使跨越遥远的距离，太阳的引力也会扰乱行星的运动——更重要的是对于这个故事，扰乱它们的卫星。丘克和他的同事们发现，土星的轨道有可能接近一个点，太阳微弱的引力影响可能会非常轻微地推动一颗大型内卫星进入不同的路径，从而导致与兄弟姐妹的碰撞。

“然后你形成一个比你现在拥有的环大 10 倍的环，其中一些环会吸积并形成新的卫星，”他说。

这个场景的一个令人困惑的推论是，土星现有的内卫星会像丘克所说的那样，从碰撞的碎片中结合并生长出来——这意味着土卫二、土卫一和任何轨道离行星如此近或比土卫五更近的天体也大约有 1 亿年的历史。然而，这种情况与基于计算其表面陨石坑的内卫星年龄估计形成鲜明对比。此外，年轻的土卫二可能会给希望这颗卫星的全球地下海洋已经存在足够长的时间以供生命在那里进化的天体生物学家带来重大问题。

“我认为人们不喜欢听到这个，”丘克说。

卡努普和其他人表示，虽然丘克的假设是合理的，但它未能解释卫星碰撞产生的物质将如何形成环。要做到这一点，碰撞的碎片需要足够靠近土星，以便行星的引力将其保持分散，而不是在卫星形成和居住的更远的区域。

“你如何将来自那种碰撞的物质带回环所在的低轨道，以及你如何使该物质仅为冰？”卡努普问道。

原始污染？

事实是，较老的环更容易制造。数十亿年前，当行星在其当前位置稳定下来时，它们像过度摄入咖啡因的、瞄准不稳的台球运动员一样，在整个太阳系中发射较小的天体。因此，卡努普说，最简约的解释是，某种古代灾难装饰了以前没有环的世界，科学家需要重新审视他们指向年轻环的污染论证。

如果黑暗尘埃落到环上的速率随时间变化，或者如果关于尘埃如何使环变暗的基本假设是错误的，那么环可能是原始的——尽管具有异常活泼的光泽。

“很明显，雪落下时是美丽而明亮的，而且不需要太多污垢就能使雪看起来很暗，”多恩斯说。但是，他指出，尘埃和冰环粒子之间的高速撞击可能没有以科学家怀疑的确切方式给环着色，可能沉积的阴影比预期的要少。

卡努普说，更令人信服的旧环故事是古代环形成碰撞的模拟。如果碎片的初始质量大大高于当前环中的质量，它将迅速扩散和消散。其中一些会落入土星，一些会逃逸到轨道中，其余的会沉淀到卫星和环中。她说，奇怪的是，无论你从土卫一质量的一倍还是十倍开始，经过数十亿年，基本的轨道动力学表明它将稳定在几乎完全是我们今天看到的物质数量。

“环恰好具有人们所期望的精确质量，如果它们已经碰撞和扩散了四十亿年，”卡努普说。当卡西尼号的观测同时支持旧环和年轻环时，尽管方式不同，但得出最终答案是棘手的。

“当你的预测或解释是独立的，并且最终彼此矛盾时，事情就变得有趣了，”她说。

一个环（系统）统治一切

我们为辨别土星真相所做的曲折努力远未完成。有些东西给这颗行星套上了环，即使我们尚未了解是如何做到的。

“我看到土星系统正处于级联的中间——一个混乱的级联。在我看来，它还没有完成，”阿斯普豪格说。

的确，整个土星系统有点像一个谜。不仅行星环令人费解，而且其庞大而多样的卫星阵列也难以解释。从土卫八（一颗双色卫星，由于奇特的赤道脊和扁平的两极而像核桃）到朦胧的土卫六（一颗拥有油湖和外星化学物质的巨型卫星），再到可能曾经拥有自己环的内卫星，土星系统是一个充满怪异事物的聚宝盆。因此，任何声称要解释环的故事也必须在某种程度上解释这些和其他怪异事物。

“我看到了很多不可能的地质事物。我看到一颗应该看起来像卡利斯托的行星，但看起来像土卫六。我看到不应该存在的卫星，如土卫二和土卫一，它们有严重的陨石坑历史——无论这是否意味着它们很古老，我们都不知道。然后你看到土卫二像火箭一样喷发，它是太阳系中最可靠的喷发体，这作为地质学家来说对我来说没有任何意义，”阿斯普豪格说。“土卫一获得的比土卫二更多的潮汐加热，但它像死门一样死了！这一切都不合理！”

解决土星谜团的方案，也许在于行星动力学领域，引力相互作用的模拟重建了我们今天观察到的过去（和未来）。或者答案可能依赖于基于实验室的黑暗尘埃和冰粒子之间高速碰撞的检查，以确定尘埃究竟是如何给冰着色的。这可能意味着重新审视关于彗星与土星发生命运攸关的遭遇的可能性假设。或者，它可能需要更详细地分析土星内卫星群的陨石坑表面，以更好地了解它们的真实年龄，也许是通过发送另一艘航天器到这颗行星的附近巡游。

“认为环是古老的，并且一直在稳定地受到污染物质的轰击，而污染物质与我们今天看到的相同？这个想法行不通，”科罗拉多大学博尔德分校的拉里·埃斯波西托说。“但是，什么可能的机制可以如此近期形成环？没有现有的理论是令人满意的。”