土星环之谜

张唯诚

“卡西尼号”土星探测器拍摄的土星和土星环

“如果恐龙能用望远镜观测宇宙，那么它们有可能看到没有光环的土星”，这是科学家们最新得出的一种判断。这些科学家认为，土星的光环很年轻，它没有土星那样古老，很有可能诞生于地球的恐龙时代。

关于土星环，人们一直心存疑问：它是如何产生的？产生于什么时候？组成它的物质来自哪里？尤其令人不解的是，土星环相对于土星环绕太阳运行的轨道面倾斜了近27度，这是怎么回事呢？

大致上说，对于土星的年龄，天文学家们一直持有两种不同的观点。一种观点认为土星环很古老，应该是和土星同时诞生的。另一种观点则认为土星环很年轻，可能只存在了一两亿年。持后一种观点的人认为，土星环很明亮，不像有太多陈年的污垢和岁月的痕迹。太空中存在不少星际尘埃，还有大量来自彗星和小行星的碎片，假若土星环在太空中暴露了几十亿年，它就应该染上不少灰尘，它的环面应该变得暗淡和污浊才对。

为了弄清楚情况，科学家们使用“卡西尼号”土星探测器搭载的紫外图像光谱仪仔细研究了土星环中的颗粒。他们发现土星环上夹杂着一些冰块，认为这些冰块有可能在环内物质的循环过程中发挥了重要的“保洁”作用，它们将来自宇宙的污染物稀释和吸收掉了，因此土星环虽然并不暗淡，但依然可以很古老。这就是说，土星环有可能形成于45亿年前，和土星诞生于同一时期，那时太阳和它的行星刚刚从星云中脱颖而出。

卫星的碎片组成了环绕土星的土星环

然而，在研究了落在土星环上的星际尘埃后，科学家们又得出了相反的结论。那些尘埃是 2004年“卡西尼号”土星探测器抵达土星后，用携带的尘埃计数器收集到的。数据显示，土星环被污染的年龄最多只有几亿年，这样的结果佐证了土星环很年轻的观点。

2017年9月，“卡西尼号”土星探测器又对土星环作了一次全新的探测，这是它在结束土星探测使命之前的最后一次探测行动。科学家们一直认为，土星环的质量与土星环的年龄之间存在着一种“质量越大，年龄越老”的关系。因为质量巨大的土星环需要足够多的物质来“构建”，这样多的物质只有几十亿年前土星形成之初时的太阳系能够提供。于是，科学家们又一次研究了土星环，他们利用“卡西尼号”在土星和土星环之间往返飞行的机会，获得了土星和土星环作用于“卡西尼号”的引力数据。在分析了这些数据后，人们更倾向于支持年轻说。他们认为，土星环的质量远不如人们以前想象的那么大，所以土星环应该是在土星形成后才有的，它可能的确很年轻。

关于土星环的形成，科学家们也提出过不少理论。有一个理论认为，在大约2亿年前，一颗土星的卫星破碎了，它的碎片形成了土星环。现在看来，这个理论对破解土星环之谜很有帮助。

土星拥有很多卫星，它们的运行影响着整个土星系统。2016年，有科学家通过计算表明，哪怕土星外层的某颗卫星只向内移动一点点，土星的整个卫星系统就有可能失去稳定性。在这种情况下，一些卫星有可能进入一种危险的轨道上，在那里，土星的引力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。

那么，如何解释土星环的倾斜呢？土星的自转轴相对于它环绕太阳运行的公转轨道面倾斜了近 27 度，所以土星环也是倾斜的。这种倾斜看上去太大了，不太可能是土星诞生时形成的，也不像是遭遇了碰撞形成的。天文学家们一直怀疑土星环的倾斜可能与海王星有关。有研究显示，土星的自转轴会随着时间的推移做周期性运动，这种运动被称为“进动”，是自转轴绕某一中心旋转的现象。土星进动的状态似乎与海王星的运行很合拍。土星的进动像一个旋转的陀螺，而海王星环绕太阳公转的轨道也在发生摆动，像一个摇摆的呼啦圈。这并不像是巧合。天文学家们认为，土星自转轴的倾斜是土星与海王星发生了引力关联的结果，这种现象又被称为“轨道共振”。

然而“卡西尼号”土星探测器的探测数据显示，土星与海王星的所谓引力关联，并非完全合拍。科学家们依据“卡西尼号”土星探测器的探测数据模拟了土星内部的质量分布，结果发现，土星的运行的确接近与海王星共振的状态，但并不与海王星的共振完全吻合。这意味着这两颗行星可能只是一度处于轨道共振状态，但目前却并非如此了，土星可能已经摆脱了与海王星的共振。为什么会这样呢？

模拟显示，如果从土星曾经拥有的全部卫星中去掉一颗，便可以解释土星的运行为什么并没有与海王星的共振完全相符的问题。科学家们认为，如今拥有83颗卫星的土星曾至少还拥有过多出一颗的卫星，他们将这颗卫星命名为“蝶蛹”，它与土星的第三大卫星土卫八大小相当。“蝶蛹”与它的兄弟姐妹们一起环绕土星运行，并和其他卫星一起，以一种能让土星保持其倾斜度，并与海王星形成共振的方式拉扯着土星。然而，到了距今2亿到1亿年间的某个时期，“蝶蛹”变得不稳定了，它进入一个混乱的轨道区，导致它的轨道过于靠近土星，被土星巨大的引力撕成了碎片。接下来，土星吞噬掉了“蝶蛹”的大部分物质，但也留下了一小部分物质，它们悬浮在环绕土星的轨道上形成了土星环。

这个由模拟得到的结果，帮助科学家们很好地还原了土星环形成的过程，且在诸多方面与土星环今日呈现的状况相吻合，因而被科学家们认为是最能解释土星环之谜的理论。简要地说，这个故事大致是这样的：当土星形成时，它的自转轴是基本垂直于它的公转轨道面的。然而，随着土卫六（土星最大的卫星）渐渐远离土星，加上“蝶蛹”等卫星的作用，土星和海王星之间发生了共振关系，土星的自转轴发生倾斜且越来越厉害，最后达到了36 度。到了大约1.6亿年前，土星巨大的引力终于将“蝶蛹”撕碎了。由于失去了“蝶蛹”，土星脱离了与海王星的共振，它的自转轴的倾斜度得到调整，从36 度减小到现在的大约 27 度，从而形成了今天我们看到的状态。

至此，土星环之谜终于得到了一种理论上的解释。科学家们认为，这个故事不仅可以解释土星环的倾斜，而且与有关土星环年龄的研究结果吻合，因此是一种可信度较高的理论。

那么，土星环的谜团破解了吗？当然还没有。任何理论和假说都需要足够证据的支持，现在的这个答案也是需要科学家们提供更多的证据的。也许未来的土星探测器和先進的望远镜能做到这一点，到那时，土星环之谜才能被真正破解。

土星环形成的过程