土星美麗光環的成因及年齡之謎

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之間搖擺舞蹈，捕捉這個從未探索過的區域的壯觀景象。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、最迷人的一組光環之起源的新的關注。

對天文學家來說，這些光環最令人神往的奧秘是它們的年齡。雖然長期以來被認為年代久遠，但是近年來，它們的衰退已經引起爭議，有證據證明其成形年齡更為年輕。現在，一項新的研究支持土星光環已經數十億歲而不是數百萬歲的想法。

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。一些從這些光環進出的衛星可能由相同的物質形成，這意味著鑒定這些衛星的年齡可以幫助我們聚焦于土星光環的年齡。但是新的研究發現，其中三顆里層衛星的年齡比科學家推測的要古老一些，這也暗示了光環的古老起源。

波多黎各阿雷西沃天文臺的埃德加·里維拉·瓦倫丁說：“這是一個非常酷的難題，因為一切都是聯系在一起的。”里維拉·瓦倫丁不是要一下子尋求所有衛星和光環的年齡，而是慢慢地通過挑戰逐步接近。他說：“我在努力解決這個難題的一部分。”

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星土衛八和瑞亞碰撞的歷史，發現它們在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大會上發表的研究結果稱，土星的光環比我們想象的還要古老。

除了自身神秘莫測，土星的光環和衛星可能也為那些探尋太陽系外帶有光環的行星的人們提供了線索。到目前為止，只有一個有光環的外行星被確定——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。如果土星的衛星和光環很年輕，倒可以提供一種解釋。

“如果土星的光環很年輕，那么一個觀察我們太陽系的（假設的）觀察者在10億年前看的話，就不會看到它們。”加利福尼亞大學圣克魯茲分校研究冰冷世界起源的行星科學家弗朗西斯·尼姆莫說。

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

另一方面，長壽的衛星和光環可能意味著這樣的天體是常見的，可能就藏在眼前——或者在數十年的數據中丟失，或受困于技術的局限性。

古老的撞痕

在計算其他天體的年齡時，科學家大量依賴隕石坑。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，土星的光環和衛星只有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是一個持續爭論的話題。2005年，出現了一種新的理論，說天王星和海王星相互“舞蹈”， 將冰冷的碎片向內拋向其他行星。但是根據里維拉·瓦倫丁的研究，這種物質的大量降落（被稱為“后期重型撞擊”）會徹底摧毀土星最小的衛星土衛一。

里維拉·瓦倫丁決定從另一端來解開這個難題。過去，他曾與一名學生合作，計算有多少碎片墜入土衛八。他認為，土衛八是太陽系中最古老的衛星。通過使用類似的技術來計算有多少物質造成另一個衛星瑞亞的撞痕，他發現瑞亞被撞得遠遠不及土衛八。

這可能是因為撞擊瑞亞的物質的數量比以前計算的要少，也可能是因為瑞亞相對土衛八形成較晚，也許是在39億年前發生的后期重型撞擊之后不久。但基于隕石坑的數量，瑞亞的撞痕意味著它不可能像一些模型預測的那么年輕。

“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。”里維拉·瓦倫丁說。然而，認為瑞亞是在后期重型撞擊期間形成的模型都與這顆衛星的撞擊歷史一致。通過反駁支持光環較年輕的觀點，里維拉·瓦倫丁的研究有助于確立土星衛星的較早起源問題。

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星的年齡。他的研究表明，衛星至少有幾億年的歷史，排除了那些認為衛星形成只有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。”該課題的前期研究認為，土衛一只有在5億年前才緊鄰土星，這表明它可能相當年輕。然而，這項研究假定衛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：“盡管現在這些衛星的移動速度相當快，但它們早期并沒有像現在這樣快速移動，所以這些衛星可以很容易地達到40億歲的年齡。”

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

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，所以這是一個我們可以使用的時間尺度。”

在土衛四上，流冰已經填滿了一些撞擊坑。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星至少有幾億年的壽命，同樣排除了認為這顆衛星只有1億歲的模型。

在未來的研究中，尼姆莫希望考察像土衛三這樣的衛星，它的快速運動應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院的吉姆·富勒以前的研究基礎上，雖然對衛星的誕生時間提供了一些限制，但年齡差距仍然很大。“這不會解決所有問題。”他說。

帶光環的系外行星

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

“我們的想法是，土星的光環曾經也是那么大。”萊頓天文臺的馬特·肯沃西說。他領導的團隊在2015年發現了龐大光環。隨著時間的推移，氣體和塵埃可能形成了衛星，可能落在了土星表面，也可能被太陽風吹走了。了解衛星和潛在的光環是否年代久遠，有助于揭示土星是否攜帶著這些原始環的殘余物。

如果土星的光環年代久遠，那就意味著光環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了呢？根據肯沃西的說法，部分是由于時間。發現一個遠離太陽系、帶有冰環的氣體巨星需要約10年的數據，而相關信息的收集最近才開始。

“許多數據已經有了，我們可能被某個數據誤導了，現在只是挖掘和分析已有數據的問題。”肯沃西說。