土星美丽光环的成因及年龄之谜

诺拉·泰勒·里德

“卡西尼”号，一种最小的宇宙飞船，正从火焰中飞出。在接下来的4个月里，这个迄今人

类最先进的探测器将在土星和其冰环之间摇摆舞蹈，捕捉这个从未探索过的区域的壮观景象。在这个长达20年的探索历程接近高潮式尾声时，“卡西尼”号将引起人们对太阳系中已知的最神秘、最迷人的一组光环之起源的新的关注。

对天文学家来说，这些光环最令人神往的奧秘是它们的年龄。虽然长期以来被认为年代久远，但是近年来，它们的衰退已经引起争议，有证据证明其成形年龄更为年轻。现在，一项新的研究支持土星光环已经数十亿岁而不是数百万岁的想法。

在土星历史的某个时刻，其周围的尘埃和气体凝聚成我们今天看到的令人难以置信的光环。一些从这些光环进出的卫星可能由相同的物质形成，这意味着鉴定这些卫星的年龄可以帮助我们聚焦于土星光环的年龄。但是新的研究发现，其中三颗里层卫星的年龄比科学家推测的要古老一些，这也暗示了光环的古老起源。

波多黎各阿雷西沃天文台的埃德加·里维拉·瓦伦丁说：“这是一个非常酷的难题，因为一切都是联系在一起的。”里维拉·瓦伦丁不是要一下子寻求所有卫星和光环的年龄，而是慢慢地通过挑战逐步接近。他说：“我在努力解决这个难题的一部分。”

2016年，里维拉·瓦伦丁开始使用新的计算机模型研究土星的卫星土卫八和瑞亚碰撞的历史，发现它们在46亿年前的太阳系中早已形成。2017年3月，他在得克萨斯州举行的月球与行星科学大会上发表的研究结果称，土星的光环比我们想象的还要古老。

除了自身神秘莫测，土星的光环和卫星可能也为那些探寻太阳系外带有光环的行星的人们提供了线索。到目前为止，只有一个有光环的外行星被确定——这似乎很奇怪，因为我们的太阳系里四个气体巨头都拥有光环。如果土星的卫星和光环很年轻，倒可以提供一种解释。

“如果土星的光环很年轻，那么一个观察我们太阳系的（假设的）观察者在10亿年前看的话，就不会看到它们。”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校研究冰冷世界起源的行星科学家弗朗西斯·尼姆莫说。

也许其他天体也有寿命短暂的光环，它们在时空长镜头中短暂的出现使得它们难以被地球上的观察者发现。这种情况就和在太阳系之外窥视土星光环的机会有限一样，人类观察者观察带光环的外太阳系天体的能力同样有限。

另一方面，长寿的卫星和光环可能意味着这样的天体是常见的，可能就藏在眼前——或者在数十年的数据中丢失，或受困于技术的局限性。

古老的撞痕

在计算其他天体的年龄时，科学家大量依赖陨石坑。通过将撞痕与太阳系中猛烈撞击的时期联系起来，他们可以粗略估计表层的年龄，这为天体本身提供了一个年龄上限。先前的研究表明，土星的光环和卫星只有1亿岁，在太阳系的天体中相对较年轻。

问题是，太阳系在过去的行为表现是一个持续争论的话题。2005年，出现了一种新的理论，说天王星和海王星相互“舞蹈”， 将冰冷的碎片向内抛向其他行星。但是根据里维拉·瓦伦丁的研究，这种物质的大量降落（被称为“后期重型撞击”）会彻底摧毁土星最小的卫星土卫一。

里维拉·瓦伦丁决定从另一端来解开这个难题。过去，他曾与一名学生合作，计算有多少碎片坠入土卫八。他认为，土卫八是太阳系中最古老的卫星。通过使用类似的技术来计算有多少物质造成另一个卫星瑞亚的撞痕，他发现瑞亚被撞得远远不及土卫八。

这可能是因为撞击瑞亚的物质的数量比以前计算的要少，也可能是因为瑞亚相对土卫八形成较晚，也许是在39亿年前发生的后期重型撞击之后不久。但基于陨石坑的数量，瑞亚的撞痕意味着它不可能像一些模型预测的那么年轻。

“所以对那种说它们可能是在1亿年前形成的模型，我至少可以说不，情况可能不是这样。”里维拉·瓦伦丁说。然而，认为瑞亚是在后期重型撞击期间形成的模型都与这颗卫星的撞击历史一致。通过反驳支持光环较年轻的观点，里维拉·瓦伦丁的研究有助于确立土星卫星的较早起源问题。

拨回时钟

由于研究撞击历史的方法取决于我们对太阳系是如何演变的了解，尼姆莫决定采取不同的策略来探索卫星的年龄。他的研究表明，卫星至少有几亿年的历史，排除了那些认为卫星形成只有1亿年的模型。

尼姆莫说：“你不妨拨回时钟，看看它们早些时候的位置。”该课题的前期研究认为，土卫一只有在5亿年前才紧邻土星，这表明它可能相当年轻。然而，这项研究假定卫星过去的行为方式与今天一样。

另一方面，尼姆莫探索了假定它们更年轻时互动方式有何不同。他说：“尽管现在这些卫星的移动速度相当快，但它们早期并没有像现在这样快速移动，所以这些卫星可以很容易地达到40亿岁的年龄。”

为找到更多的证据证明它们的形成期很久远，尼姆莫解开了60多颗卫星中2颗的动力学原理。不同于以往依据今天的轨道把这些卫星往回倒的模型，他解释了土星会如何影响其卫星。卫星绕轨道运行时受到土星的牵引，卫星彼此间也相互牵引。这些恒定的拉力增加了卫星中心的热量，然后热量又向表面传播。

他说：“温度向外传播需要时间，因为热量只能以一定的速率传导，所以这是一个我们可以使用的时间尺度。”

在土卫四上，流冰已经填满了一些撞击坑。尼姆莫说，如果碰撞本身融化了积冰，那么这些陨石坑就会轻松显于表面。如果情况相反，热量就一定来自睦邻的牵引。他把融化用作温度计确定了这颗卫星至少有几亿年的寿命，同样排除了认为这颗卫星只有1亿岁的模型。

在未来的研究中，尼姆莫希望考察像土卫三这样的卫星，它的快速运动应该有助于缩小其诞生的时间范围。他的研究建立在加利福尼亚理工学院的吉姆·富勒以前的研究基础上，虽然对卫星的诞生时间提供了一些限制，但年龄差距仍然很大。“这不会解决所有问题。”他说。

带光环的系外行星

到目前为止，唯一已知的带光环的系外行星是J1407b，一个年轻的天体，其炫目的庞大光环比土星的大200倍，可能类似于早期太阳系的气体巨星。

“我们的想法是，土星的光环曾经也是那么大。”莱顿天文台的马特·肯沃西说。他领导的团队在2015年发现了庞大光环。随着时间的推移，气体和尘埃可能形成了卫星，可能落在了土星表面，也可能被太阳风吹走了。了解卫星和潜在的光环是否年代久远，有助于揭示土星是否携带着这些原始环的残余物。

如果土星的光环年代久远，那就意味着光环存在于其他系外行星周围。那么到目前为止，为什么只有一个系外行星被确认了呢？根据肯沃西的说法，部分是由于时间。发现一个远离太阳系、带有冰环的气体巨星需要约10年的数据，而相关信息的收集最近才开始。

“许多数据已经有了，我们可能被某个数据误导了，现在只是挖掘和分析已有数据的问题。”肯沃西说。