破解土星環(huán)的起源之謎

張唯誠(chéng)

謎題的形成

400年前，當(dāng)伽利略用他自制的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)土星時(shí)，他看到了土星環(huán)。然而，由于當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡的分辨率太低，伽利略并沒(méi)有意識(shí)到那是一個(gè)星環(huán)，所以土星環(huán)的真正發(fā)現(xiàn)者是半個(gè)多世紀(jì)后的荷蘭天文學(xué)家惠更斯。1675年，天文學(xué)家卡西尼發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)中有一條空闊的地帶，這就是“卡西尼縫”。

卡西尼縫把土星環(huán)分成了A環(huán)和B環(huán)兩個(gè)部分，但隨著人們對(duì)土星環(huán)的觀測(cè)日益清晰，土星環(huán)的結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出日益復(fù)雜的態(tài)勢(shì)。大致上說(shuō)，土星環(huán)的內(nèi)側(cè)多塵埃，而外側(cè)以水冰為主。土星的主環(huán)根據(jù)離土星從近到遠(yuǎn)的順序分別被命名為D、C、B、A、F、G和E。事實(shí)上，土星環(huán)可以說(shuō)多得數(shù)不勝數(shù)，無(wú)法枚舉。這樣復(fù)雜的星環(huán)是如何形成的，這一直是人們深感興趣的話題。

土星大約形成于40億年前。如果那個(gè)時(shí)候它的光環(huán)就已經(jīng)形成，那么來(lái)自遙遠(yuǎn)太陽(yáng)系的碎片就會(huì)不斷地轟擊它，從而使那些冰冷的環(huán)變得越來(lái)越暗。然而觀測(cè)顯示，土星環(huán)在整體上是明亮的，并不像一個(gè)陳舊之物。但如果說(shuō)土星環(huán)是新近形成的，在引力方面又說(shuō)不過(guò)去，因?yàn)樗亓耍绱硕嗟奈镔|(zhì)要聚集成環(huán)，需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

答案“搖擺不定”

因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)土星環(huán)的年齡存在著不同的看法。有一段時(shí)間，人們認(rèn)為土星環(huán)很年輕，后來(lái)由于土星探測(cè)器“卡西尼”號(hào)的高分辨率探測(cè)，人們又認(rèn)為土星環(huán)可能是土星形成過(guò)程中的古老遺留物?？茖W(xué)家使用“卡西尼”號(hào)搭載的紫外線圖像光譜儀仔細(xì)研究了土星環(huán)中的顆粒，發(fā)現(xiàn)土星環(huán)其實(shí)是很粗糙的，其中的物質(zhì)大小不一，有些細(xì)于沙粒，有些大于巨石。環(huán)里夾雜著大量的冰塊，它們有可能在環(huán)內(nèi)物質(zhì)的循環(huán)過(guò)程中將來(lái)自宇宙的污染物稀釋和吸收掉了。于是多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，土星環(huán)雖然并不暗淡，但它還是很古老。

2017年9月，“卡西尼”號(hào)對(duì)土星環(huán)做了一次全新的探測(cè)，在土星和光環(huán)之間做了22次往返飛行。這是這艘前所未有的土星探測(cè)器在即將結(jié)束使命之前的一次大膽行動(dòng)。由此，天文學(xué)家得到了一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，他們因此測(cè)量了土星單獨(dú)作用于“卡西尼”號(hào)時(shí)產(chǎn)生的引力，也測(cè)量了土星和土星環(huán)共同作用于“卡西尼”號(hào)時(shí)產(chǎn)生的引力，從而明確了這兩種情況在引力上反映出來(lái)的差異和土星環(huán)的質(zhì)量。在完成這些飛行任務(wù)后，“卡西尼”號(hào)最終墜落在土星的大氣層中。

在分析了“卡西尼”號(hào)收集的最終數(shù)據(jù)后，天文學(xué)家改變了看法。他們認(rèn)為，土星環(huán)的質(zhì)量遠(yuǎn)不如人們以前想象的那么大，所以土星環(huán)可能是土星形成后才有的，這表明土星環(huán)有可能很年輕。

“年輕說(shuō)”的依據(jù)

最新探測(cè)顯示，土星環(huán)的B環(huán)最重，約占土星環(huán)總質(zhì)量的80%。美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的行星科學(xué)家拉里·埃斯波西托表示，從重量上判斷，土星環(huán)是年輕的。埃斯波西托曾于1983年估計(jì)過(guò)土星環(huán)的質(zhì)量，雖然后來(lái)“旅行者”號(hào)傳回的數(shù)據(jù)顯示土星環(huán)并不重，但這位科學(xué)家一直認(rèn)為土星環(huán)應(yīng)該更重。

意大利羅馬第一大學(xué)的行星科學(xué)家盧西亞諾·艾斯認(rèn)為，還有一種至今尚未得到解釋的力量影響了“卡西尼”號(hào)，所以B環(huán)的實(shí)際質(zhì)量可能更大。但即使如此，它仍然比埃斯波西托曾經(jīng)設(shè)想的要輕。

科學(xué)家也研究了落在土星環(huán)上的星際塵埃，這些塵埃也支持了土星環(huán)并不古老的觀點(diǎn)。美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的行星科學(xué)家薩沙·肯普夫及其同事研究了“卡西尼”號(hào)自2004年抵達(dá)土星后用其搭載的塵埃計(jì)數(shù)器收集到的所有塵埃，說(shuō)：“我們的數(shù)據(jù)顯示，這些環(huán)被污染的年齡只有幾億年，這說(shuō)明土星環(huán)很年輕。”

有關(guān)土星環(huán)如何形成的解釋

有關(guān)土星環(huán)起源的另一個(gè)謎團(tuán)是它的形成方式。埃斯波西托的推測(cè)是，在大約2億年前，一顆相當(dāng)于土衛(wèi)一1/2質(zhì)量的衛(wèi)星破碎了，它的碎片形成了土星環(huán)。其實(shí)這種事在宇宙中并不經(jīng)常發(fā)生，像中頭彩一樣難得。

保羅·埃斯特拉達(dá)供職于搜索地外文明的SETI研究所，他和肯普夫一起對(duì)土星環(huán)的成因進(jìn)行了新的分析。埃斯特拉達(dá)認(rèn)為，土星環(huán)可能不是由一次偶然事件形成的，恰恰相反，它可能是衛(wèi)星和碎片反復(fù)循環(huán)的產(chǎn)物。另一位工作于SETI研究所的科學(xué)家馬蒂亞·庫(kù)克持相同觀點(diǎn)，他與同事在2016年的計(jì)算表明，哪怕土星外層的一顆衛(wèi)星只向內(nèi)移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，土星的整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)都有可能失去穩(wěn)定性。

如果這種情況發(fā)生了，一些衛(wèi)星就有可能進(jìn)入一個(gè)危險(xiǎn)的軌道。在那里，土星的引力會(huì)把它們分解成碎片和塵埃，這些物質(zhì)會(huì)組成環(huán)繞土星的土星環(huán)，而這些環(huán)又有可能在某一天聚集成新的衛(wèi)星。這樣的過(guò)程周而復(fù)始，循環(huán)不已。事實(shí)上，很有可能正如埃斯特拉達(dá)指出的那樣，這種事“已經(jīng)發(fā)生過(guò)很多次了”。

雖然“卡西尼”號(hào)的探測(cè)為研究土星環(huán)的起源和年齡提供了一些突破性的新數(shù)據(jù)，但并沒(méi)有形成最終的答案。對(duì)于土星環(huán)的起源之謎，人們的探索之旅還將繼續(xù)下去。