土星美麗光環(huán)的成因及年齡之謎

諾拉·泰勒·里德

“卡西尼”號，一種最小的宇宙飛船，正從火焰中飛出。在接下來的4個月里，這個迄今人

類最先進的探測器將在土星和其冰環(huán)之間搖擺舞蹈，捕捉這個從未探索過的區(qū)域的壯觀景象。在這個長達20年的探索歷程接近高潮式尾聲時，“卡西尼”號將引起人們對太陽系中已知的最神秘、最迷人的一組光環(huán)之起源的新的關(guān)注。

對天文學(xué)家來說，這些光環(huán)最令人神往的奧秘是它們的年齡。雖然長期以來被認(rèn)為年代久遠(yuǎn)，但是近年來，它們的衰退已經(jīng)引起爭議，有證據(jù)證明其成形年齡更為年輕?，F(xiàn)在，一項新的研究支持土星光環(huán)已經(jīng)數(shù)十億歲而不是數(shù)百萬歲的想法。

在土星歷史的某個時刻，其周圍的塵埃和氣體凝聚成我們今天看到的令人難以置信的光環(huán)。一些從這些光環(huán)進出的衛(wèi)星可能由相同的物質(zhì)形成，這意味著鑒定這些衛(wèi)星的年齡可以幫助我們聚焦于土星光環(huán)的年齡。但是新的研究發(fā)現(xiàn)，其中三顆里層衛(wèi)星的年齡比科學(xué)家推測的要古老一些，這也暗示了光環(huán)的古老起源。

波多黎各阿雷西沃天文臺的埃德加·里維拉·瓦倫丁說：“這是一個非?？岬碾y題，因為一切都是聯(lián)系在一起的?！崩锞S拉·瓦倫丁不是要一下子尋求所有衛(wèi)星和光環(huán)的年齡，而是慢慢地通過挑戰(zhàn)逐步接近。他說：“我在努力解決這個難題的一部分?！?/p>

2016年，里維拉·瓦倫丁開始使用新的計算機模型研究土星的衛(wèi)星土衛(wèi)八和瑞亞碰撞的歷史，發(fā)現(xiàn)它們在46億年前的太陽系中早已形成。2017年3月，他在得克薩斯州舉行的月球與行星科學(xué)大會上發(fā)表的研究結(jié)果稱，土星的光環(huán)比我們想象的還要古老。

除了自身神秘莫測，土星的光環(huán)和衛(wèi)星可能也為那些探尋太陽系外帶有光環(huán)的行星的人們提供了線索。到目前為止，只有一個有光環(huán)的外行星被確定——這似乎很奇怪，因為我們的太陽系里四個氣體巨頭都擁有光環(huán)。如果土星的衛(wèi)星和光環(huán)很年輕，倒可以提供一種解釋。

“如果土星的光環(huán)很年輕，那么一個觀察我們太陽系的（假設(shè)的）觀察者在10億年前看的話，就不會看到它們?！奔永Ｄ醽喆髮W(xué)圣克魯茲分校研究冰冷世界起源的行星科學(xué)家弗朗西斯·尼姆莫說。

也許其他天體也有壽命短暫的光環(huán)，它們在時空長鏡頭中短暫的出現(xiàn)使得它們難以被地球上的觀察者發(fā)現(xiàn)。這種情況就和在太陽系之外窺視土星光環(huán)的機會有限一樣，人類觀察者觀察帶光環(huán)的外太陽系天體的能力同樣有限。

另一方面，長壽的衛(wèi)星和光環(huán)可能意味著這樣的天體是常見的，可能就藏在眼前——或者在數(shù)十年的數(shù)據(jù)中丟失，或受困于技術(shù)的局限性。

古老的撞痕

在計算其他天體的年齡時，科學(xué)家大量依賴隕石坑。通過將撞痕與太陽系中猛烈撞擊的時期聯(lián)系起來，他們可以粗略估計表層的年齡，這為天體本身提供了一個年齡上限。先前的研究表明，土星的光環(huán)和衛(wèi)星只有1億歲，在太陽系的天體中相對較年輕。

問題是，太陽系在過去的行為表現(xiàn)是一個持續(xù)爭論的話題。2005年，出現(xiàn)了一種新的理論，說天王星和海王星相互“舞蹈”， 將冰冷的碎片向內(nèi)拋向其他行星。但是根據(jù)里維拉·瓦倫丁的研究，這種物質(zhì)的大量降落（被稱為“后期重型撞擊”）會徹底摧毀土星最小的衛(wèi)星土衛(wèi)一。

里維拉·瓦倫丁決定從另一端來解開這個難題。過去，他曾與一名學(xué)生合作，計算有多少碎片墜入土衛(wèi)八。他認(rèn)為，土衛(wèi)八是太陽系中最古老的衛(wèi)星。通過使用類似的技術(shù)來計算有多少物質(zhì)造成另一個衛(wèi)星瑞亞的撞痕，他發(fā)現(xiàn)瑞亞被撞得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及土衛(wèi)八。

這可能是因為撞擊瑞亞的物質(zhì)的數(shù)量比以前計算的要少，也可能是因為瑞亞相對土衛(wèi)八形成較晚，也許是在39億年前發(fā)生的后期重型撞擊之后不久。但基于隕石坑的數(shù)量，瑞亞的撞痕意味著它不可能像一些模型預(yù)測的那么年輕。

“所以對那種說它們可能是在1億年前形成的模型，我至少可以說不，情況可能不是這樣?！崩锞S拉·瓦倫丁說。然而，認(rèn)為瑞亞是在后期重型撞擊期間形成的模型都與這顆衛(wèi)星的撞擊歷史一致。通過反駁支持光環(huán)較年輕的觀點，里維拉·瓦倫丁的研究有助于確立土星衛(wèi)星的較早起源問題。

撥回時鐘

由于研究撞擊歷史的方法取決于我們對太陽系是如何演變的了解，尼姆莫決定采取不同的策略來探索衛(wèi)星的年齡。他的研究表明，衛(wèi)星至少有幾億年的歷史，排除了那些認(rèn)為衛(wèi)星形成只有1億年的模型。

尼姆莫說：“你不妨撥回時鐘，看看它們早些時候的位置?！痹撜n題的前期研究認(rèn)為，土衛(wèi)一只有在5億年前才緊鄰?fù)列?，這表明它可能相當(dāng)年輕。然而，這項研究假定衛(wèi)星過去的行為方式與今天一樣。

另一方面，尼姆莫探索了假定它們更年輕時互動方式有何不同。他說：“盡管現(xiàn)在這些衛(wèi)星的移動速度相當(dāng)快，但它們早期并沒有像現(xiàn)在這樣快速移動，所以這些衛(wèi)星可以很容易地達到40億歲的年齡?！?/p>

為找到更多的證據(jù)證明它們的形成期很久遠(yuǎn)，尼姆莫解開了60多顆衛(wèi)星中2顆的動力學(xué)原理。不同于以往依據(jù)今天的軌道把這些衛(wèi)星往回倒的模型，他解釋了土星會如何影響其衛(wèi)星。衛(wèi)星繞軌道運行時受到土星的牽引，衛(wèi)星彼此間也相互牽引。這些恒定的拉力增加了衛(wèi)星中心的熱量，然后熱量又向表面?zhèn)鞑ァ?/p>

他說：“溫度向外傳播需要時間，因為熱量只能以一定的速率傳導(dǎo)，所以這是一個我們可以使用的時間尺度?！?/p>

在土衛(wèi)四上，流冰已經(jīng)填滿了一些撞擊坑。尼姆莫說，如果碰撞本身融化了積冰，那么這些隕石坑就會輕松顯于表面。如果情況相反，熱量就一定來自睦鄰的牽引。他把融化用作溫度計確定了這顆衛(wèi)星至少有幾億年的壽命，同樣排除了認(rèn)為這顆衛(wèi)星只有1億歲的模型。

在未來的研究中，尼姆莫希望考察像土衛(wèi)三這樣的衛(wèi)星，它的快速運動應(yīng)該有助于縮小其誕生的時間范圍。他的研究建立在加利福尼亞理工學(xué)院的吉姆·富勒以前的研究基礎(chǔ)上，雖然對衛(wèi)星的誕生時間提供了一些限制，但年齡差距仍然很大?！斑@不會解決所有問題?！彼f。

帶光環(huán)的系外行星

到目前為止，唯一已知的帶光環(huán)的系外行星是J1407b，一個年輕的天體，其炫目的龐大光環(huán)比土星的大200倍，可能類似于早期太陽系的氣體巨星。

“我們的想法是，土星的光環(huán)曾經(jīng)也是那么大?！比R頓天文臺的馬特·肯沃西說。他領(lǐng)導(dǎo)的團隊在2015年發(fā)現(xiàn)了龐大光環(huán)。隨著時間的推移，氣體和塵埃可能形成了衛(wèi)星，可能落在了土星表面，也可能被太陽風(fēng)吹走了。了解衛(wèi)星和潛在的光環(huán)是否年代久遠(yuǎn)，有助于揭示土星是否攜帶著這些原始環(huán)的殘余物。

如果土星的光環(huán)年代久遠(yuǎn)，那就意味著光環(huán)存在于其他系外行星周圍。那么到目前為止，為什么只有一個系外行星被確認(rèn)了呢？根據(jù)肯沃西的說法，部分是由于時間。發(fā)現(xiàn)一個遠(yuǎn)離太陽系、帶有冰環(huán)的氣體巨星需要約10年的數(shù)據(jù)，而相關(guān)信息的收集最近才開始。

“許多數(shù)據(jù)已經(jīng)有了，我們可能被某個數(shù)據(jù)誤導(dǎo)了，現(xiàn)在只是挖掘和分析已有數(shù)據(jù)的問題?！笨衔治髡f。