土星環(huán)之謎

張唯誠(chéng)

“卡西尼號(hào)”土星探測(cè)器拍攝的土星和土星環(huán)

“如果恐龍能用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙，那么它們有可能看到?jīng)]有光環(huán)的土星”，這是科學(xué)家們最新得出的一種判斷。這些科學(xué)家認(rèn)為，土星的光環(huán)很年輕，它沒有土星那樣古老，很有可能誕生于地球的恐龍時(shí)代。

關(guān)于土星環(huán)，人們一直心存疑問：它是如何產(chǎn)生的？產(chǎn)生于什么時(shí)候？組成它的物質(zhì)來自哪里？尤其令人不解的是，土星環(huán)相對(duì)于土星環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道面傾斜了近27度，這是怎么回事呢？

大致上說，對(duì)于土星的年齡，天文學(xué)家們一直持有兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為土星環(huán)很古老，應(yīng)該是和土星同時(shí)誕生的。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為土星環(huán)很年輕，可能只存在了一兩億年。持后一種觀點(diǎn)的人認(rèn)為，土星環(huán)很明亮，不像有太多陳年的污垢和歲月的痕跡。太空中存在不少星際塵埃，還有大量來自彗星和小行星的碎片，假若土星環(huán)在太空中暴露了幾十億年，它就應(yīng)該染上不少灰塵，它的環(huán)面應(yīng)該變得暗淡和污濁才對(duì)。

為了弄清楚情況，科學(xué)家們使用“卡西尼號(hào)”土星探測(cè)器搭載的紫外圖像光譜儀仔細(xì)研究了土星環(huán)中的顆粒。他們發(fā)現(xiàn)土星環(huán)上夾雜著一些冰塊，認(rèn)為這些冰塊有可能在環(huán)內(nèi)物質(zhì)的循環(huán)過程中發(fā)揮了重要的“保潔”作用，它們將來自宇宙的污染物稀釋和吸收掉了，因此土星環(huán)雖然并不暗淡，但依然可以很古老。這就是說，土星環(huán)有可能形成于45億年前，和土星誕生于同一時(shí)期，那時(shí)太陽和它的行星剛剛從星云中脫穎而出。

衛(wèi)星的碎片組成了環(huán)繞土星的土星環(huán)

然而，在研究了落在土星環(huán)上的星際塵埃后，科學(xué)家們又得出了相反的結(jié)論。那些塵埃是 2004年“卡西尼號(hào)”土星探測(cè)器抵達(dá)土星后，用攜帶的塵埃計(jì)數(shù)器收集到的。數(shù)據(jù)顯示，土星環(huán)被污染的年齡最多只有幾億年，這樣的結(jié)果佐證了土星環(huán)很年輕的觀點(diǎn)。

2017年9月，“卡西尼號(hào)”土星探測(cè)器又對(duì)土星環(huán)作了一次全新的探測(cè)，這是它在結(jié)束土星探測(cè)使命之前的最后一次探測(cè)行動(dòng)。科學(xué)家們一直認(rèn)為，土星環(huán)的質(zhì)量與土星環(huán)的年齡之間存在著一種“質(zhì)量越大，年齡越老”的關(guān)系。因?yàn)橘|(zhì)量巨大的土星環(huán)需要足夠多的物質(zhì)來“構(gòu)建”，這樣多的物質(zhì)只有幾十億年前土星形成之初時(shí)的太陽系能夠提供。于是，科學(xué)家們又一次研究了土星環(huán)，他們利用“卡西尼號(hào)”在土星和土星環(huán)之間往返飛行的機(jī)會(huì)，獲得了土星和土星環(huán)作用于“卡西尼號(hào)”的引力數(shù)據(jù)。在分析了這些數(shù)據(jù)后，人們更傾向于支持年輕說。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)應(yīng)該是在土星形成后才有的，它可能的確很年輕。

關(guān)于土星環(huán)的形成，科學(xué)家們也提出過不少理論。有一個(gè)理論認(rèn)為，在大約2億年前，一顆土星的衛(wèi)星破碎了，它的碎片形成了土星環(huán)?，F(xiàn)在看來，這個(gè)理論對(duì)破解土星環(huán)之謎很有幫助。

土星擁有很多衛(wèi)星，它們的運(yùn)行影響著整個(gè)土星系統(tǒng)。2016年，有科學(xué)家通過計(jì)算表明，哪怕土星外層的某顆衛(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)就有可能失去穩(wěn)定性。在這種情況下，一些衛(wèi)星有可能進(jìn)入一種危險(xiǎn)的軌道上，在那里，土星的引力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)。

那么，如何解釋土星環(huán)的傾斜呢？土星的自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于它環(huán)繞太陽運(yùn)行的公轉(zhuǎn)軌道面傾斜了近 27 度，所以土星環(huán)也是傾斜的。這種傾斜看上去太大了，不太可能是土星誕生時(shí)形成的，也不像是遭遇了碰撞形成的。天文學(xué)家們一直懷疑土星環(huán)的傾斜可能與海王星有關(guān)。有研究顯示，土星的自轉(zhuǎn)軸會(huì)隨著時(shí)間的推移做周期性運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)被稱為“進(jìn)動(dòng)”，是自轉(zhuǎn)軸繞某一中心旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。土星進(jìn)動(dòng)的狀態(tài)似乎與海王星的運(yùn)行很合拍。土星的進(jìn)動(dòng)像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺，而海王星環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道也在發(fā)生擺動(dòng)，像一個(gè)搖擺的呼啦圈。這并不像是巧合。天文學(xué)家們認(rèn)為，土星自轉(zhuǎn)軸的傾斜是土星與海王星發(fā)生了引力關(guān)聯(lián)的結(jié)果，這種現(xiàn)象又被稱為“軌道共振”。

然而“卡西尼號(hào)”土星探測(cè)器的探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，土星與海王星的所謂引力關(guān)聯(lián)，并非完全合拍?？茖W(xué)家們依據(jù)“卡西尼號(hào)”土星探測(cè)器的探測(cè)數(shù)據(jù)模擬了土星內(nèi)部的質(zhì)量分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土星的運(yùn)行的確接近與海王星共振的狀態(tài)，但并不與海王星的共振完全吻合。這意味著這兩顆行星可能只是一度處于軌道共振狀態(tài)，但目前卻并非如此了，土星可能已經(jīng)擺脫了與海王星的共振。為什么會(huì)這樣呢？

模擬顯示，如果從土星曾經(jīng)擁有的全部衛(wèi)星中去掉一顆，便可以解釋土星的運(yùn)行為什么并沒有與海王星的共振完全相符的問題?？茖W(xué)家們認(rèn)為，如今擁有83顆衛(wèi)星的土星曾至少還擁有過多出一顆的衛(wèi)星，他們將這顆衛(wèi)星命名為“蝶蛹”，它與土星的第三大衛(wèi)星土衛(wèi)八大小相當(dāng)?！暗肌迸c它的兄弟姐妹們一起環(huán)繞土星運(yùn)行，并和其他衛(wèi)星一起，以一種能讓土星保持其傾斜度，并與海王星形成共振的方式拉扯著土星。然而，到了距今2億到1億年間的某個(gè)時(shí)期，“蝶蛹”變得不穩(wěn)定了，它進(jìn)入一個(gè)混亂的軌道區(qū)，導(dǎo)致它的軌道過于靠近土星，被土星巨大的引力撕成了碎片。接下來，土星吞噬掉了“蝶蛹”的大部分物質(zhì)，但也留下了一小部分物質(zhì)，它們懸浮在環(huán)繞土星的軌道上形成了土星環(huán)。

這個(gè)由模擬得到的結(jié)果，幫助科學(xué)家們很好地還原了土星環(huán)形成的過程，且在諸多方面與土星環(huán)今日呈現(xiàn)的狀況相吻合，因而被科學(xué)家們認(rèn)為是最能解釋土星環(huán)之謎的理論。簡(jiǎn)要地說，這個(gè)故事大致是這樣的：當(dāng)土星形成時(shí)，它的自轉(zhuǎn)軸是基本垂直于它的公轉(zhuǎn)軌道面的。然而，隨著土衛(wèi)六（土星最大的衛(wèi)星）漸漸遠(yuǎn)離土星，加上“蝶蛹”等衛(wèi)星的作用，土星和海王星之間發(fā)生了共振關(guān)系，土星的自轉(zhuǎn)軸發(fā)生傾斜且越來越厲害，最后達(dá)到了36 度。到了大約1.6億年前，土星巨大的引力終于將“蝶蛹”撕碎了。由于失去了“蝶蛹”，土星脫離了與海王星的共振，它的自轉(zhuǎn)軸的傾斜度得到調(diào)整，從36 度減小到現(xiàn)在的大約 27 度，從而形成了今天我們看到的狀態(tài)。

至此，土星環(huán)之謎終于得到了一種理論上的解釋?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這個(gè)故事不僅可以解釋土星環(huán)的傾斜，而且與有關(guān)土星環(huán)年齡的研究結(jié)果吻合，因此是一種可信度較高的理論。

那么，土星環(huán)的謎團(tuán)破解了嗎？當(dāng)然還沒有。任何理論和假說都需要足夠證據(jù)的支持，現(xiàn)在的這個(gè)答案也是需要科學(xué)家們提供更多的證據(jù)的。也許未來的土星探測(cè)器和先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡能做到這一點(diǎn)，到那時(shí)，土星環(huán)之謎才能被真正破解。

土星環(huán)形成的過程