破解土星环的起源之谜

张唯诚

谜题的形成

400年前，当伽利略用他自制的望远镜对准土星时，他看到了土星环。然而，由于当时望远镜的分辨率太低，伽利略并没有意识到那是一个星环，所以土星环的真正发现者是半个多世纪后的荷兰天文学家惠更斯。1675年，天文学家卡西尼发现土星光环中有一条空阔的地带，这就是“卡西尼缝”。

卡西尼缝把土星环分成了A环和B环两个部分，但随着人们对土星环的观测日益清晰，土星环的结构也呈现出日益复杂的态势。大致上说，土星环的内侧多尘埃，而外侧以水冰为主。土星的主环根据离土星从近到远的顺序分别被命名为D、C、B、A、F、G和E。事实上，土星环可以说多得数不胜数，无法枚举。这样复杂的星环是如何形成的，这一直是人们深感兴趣的话题。

土星大约形成于40亿年前。如果那个时候它的光环就已经形成，那么来自遥远太阳系的碎片就会不断地轰击它，从而使那些冰冷的环变得越来越暗。然而观测显示，土星环在整体上是明亮的，并不像一个陈旧之物。但如果说土星环是新近形成的，在引力方面又说不过去，因为它太重了，如此多的物质要聚集成环，需要很长的时间。

答案“摇摆不定”

因此，长期以来人们对土星环的年龄存在着不同的看法。有一段时间，人们认为土星环很年轻，后来由于土星探测器“卡西尼”号的高分辨率探测，人们又认为土星环可能是土星形成过程中的古老遗留物。科学家使用“卡西尼”号搭载的紫外线图像光谱仪仔细研究了土星环中的颗粒，发现土星环其实是很粗糙的，其中的物质大小不一，有些细于沙粒，有些大于巨石。环里夹杂着大量的冰块，它们有可能在环内物质的循环过程中将来自宇宙的污染物稀释和吸收掉了。于是多数科学家认为，土星环虽然并不暗淡，但它还是很古老。

2017年9月，“卡西尼”号对土星环做了一次全新的探测，在土星和光环之间做了22次往返飞行。这是这艘前所未有的土星探测器在即将结束使命之前的一次大胆行动。由此，天文学家得到了一个难得的机会，他们因此测量了土星单独作用于“卡西尼”号时产生的引力，也测量了土星和土星环共同作用于“卡西尼”号时产生的引力，从而明确了这两种情况在引力上反映出来的差异和土星环的质量。在完成这些飞行任务后，“卡西尼”号最终坠落在土星的大气层中。

在分析了“卡西尼”号收集的最终数据后，天文学家改变了看法。他们认为，土星环的质量远不如人们以前想象的那么大，所以土星环可能是土星形成后才有的，這表明土星环有可能很年轻。

“年轻说”的依据

最新探测显示，土星环的B环最重，约占土星环总质量的80%。美国科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家拉里·埃斯波西托表示，从重量上判断，土星环是年轻的。埃斯波西托曾于1983年估计过土星环的质量，虽然后来“旅行者”号传回的数据显示土星环并不重，但这位科学家一直认为土星环应该更重。

意大利罗马第一大学的行星科学家卢西亚诺·艾斯认为，还有一种至今尚未得到解释的力量影响了“卡西尼”号，所以B环的实际质量可能更大。但即使如此，它仍然比埃斯波西托曾经设想的要轻。

科学家也研究了落在土星环上的星际尘埃，这些尘埃也支持了土星环并不古老的观点。美国科罗拉多大学博尔德分校的行星科学家萨沙·肯普夫及其同事研究了“卡西尼”号自2004年抵达土星后用其搭载的尘埃计数器收集到的所有尘埃，说：“我们的数据显示，这些环被污染的年龄只有几亿年，这说明土星环很年轻。”

有关土星环如何形成的解释

有关土星环起源的另一个谜团是它的形成方式。埃斯波西托的推测是，在大约2亿年前，一颗相当于土卫一1/2质量的卫星破碎了，它的碎片形成了土星环。其实这种事在宇宙中并不经常发生，像中头彩一样难得。

保罗·埃斯特拉达供职于搜索地外文明的SETI研究所，他和肯普夫一起对土星环的成因进行了新的分析。埃斯特拉达认为，土星环可能不是由一次偶然事件形成的，恰恰相反，它可能是卫星和碎片反复循环的产物。另一位工作于SETI研究所的科学家马蒂亚·库克持相同观点，他与同事在2016年的计算表明，哪怕土星外层的一颗卫星只向内移动一点点，土星的整个卫星系统都有可能失去稳定性。

如果这种情况发生了，一些卫星就有可能进入一个危险的轨道。在那里，土星的引力会把它们分解成碎片和尘埃，这些物质会组成环绕土星的土星环，而这些环又有可能在某一天聚集成新的卫星。这样的过程周而复始，循环不已。事实上，很有可能正如埃斯特拉达指出的那样，这种事“已经发生过很多次了”。

虽然“卡西尼”号的探测为研究土星环的起源和年龄提供了一些突破性的新数据，但并没有形成最终的答案。对于土星环的起源之谜，人们的探索之旅还将继续下去。