太陽系中的“土木工程”

今天，人類可能正在見證太陽系最壯觀的變化。

自哥白尼推翻“地心說”以來，研究人員就認為，我們所處的時間和空間在宇宙中并不“特別”。天文觀測者現在看到的時空，從幾十億年前就是這樣，而且還將持續幾十億年。

然而，過去幾年，對太陽系中較遠地方的觀測，正在挑戰這種觀念。木星的衛星木衛一（Io）、土星的衛星土衛六（Titan）和土衛二（Enceladus）正在發生變化；另外，土星的明亮光環可能是最近才形成的，隨著時間的推移可能會變暗。這種變化使得研究行星的學者難以接受，因為從統計上來說，人類幾乎不可能見證到這種不尋常的變化。

這種變化也違背地質學的一個基本原理—均變論。均變論認為，行星的改變是一種持續的、逐漸的變化。美國航空航天局艾姆斯研究中心的行星科學家杰夫·摩爾（Jeff Moore）說：“地質學家喜歡認為事物還是以前的事物。”他還說：“對于人類來說，不變的世界可以讓人不用認為自己生活在特殊的時代。”

但證據讓科學家難以接受。因為，宇宙可能正在上演壯麗的奇觀。

土星環的身世之謎

長期以來，科學家一直認為，土星環形成于40億年前，即土星形成后不久。土星環可能是被撕裂的衛星的明亮遺跡，也可能是一個彗星被巨行星的引力撕裂后的遺跡。

但是，一些行星科學家認為，土星環的明亮不可能持續幾十億年的時間。這是因為，土星環90%的成分是冰，彗星和小行星拋出的碳質塵埃會污染土星環。因此，隨著時間的流逝，土星環將會變暗。美國航空航天局艾姆斯研究中心的行星科學家杰夫·庫茲（Jeff Cuzzi）說：“如果觀測木星、天王星還有海王星的環，你會發現，它們都比較暗。這是可以預見到的，因為這些環正在遭受‘污染’。”

在庫茲看來，土星環非常明亮的事實說明，這個環是在僅僅幾億年前，因為某種天體在土星周圍被撕裂而形成的—這個天體可能是遠道而來的冰體，也可能是土星自身的一顆巨大衛星。“接下來，土星環會慢慢變暗。”庫茲說。

但這種說法也存在問題。那些可以形成行星環、到處橫沖直撞的大型天體，在太陽系形成的最初7億年間可能比較常見，但在此之后，這樣的天體就很少見了。所以，10億年前，這種大型天體經過土星的幾率很小。而且，如果土星的一顆衛星大得可以形成土星環，那就很難解釋，在這個時間段里，這顆衛星怎么會如此靠近土星。

還有另外一種可能性。土星環形成于幾十億年前，但因為某種機制，它一直像現在這樣明亮。如果土星環的質量比其現在的質量大10倍以上，這種可能性是存在的。因為，相對于土星環來說，碳質塵埃的質量太小了，不足以污染土星環使其變暗。

但是，目前科學家們還沒有發現這些質量大得多的物質在哪里。這些物質可能隱藏在最大的環—B環的后面。由于B環透明度極低，因此，科學家目前還不能利用光線的通過情況，來研究B環里面的成分。這個問題的答案，可能很快會由從2004年就開始環繞土星運行的“卡西尼”號探測器揭曉。2017年，“卡西尼”號探測器將在它生命的最后時刻，進入土星最里面的D環。通過比較該探測器在不同軌道上的運行情況，將會以前所未有的精度得知土星環的質量。

但美國西南研究所主管行星科學研究的副主席羅賓·坎努普（Robin Canup）警告說：“如果‘卡西尼’號探測器告訴我們，土星環的質量很小，我們將會面臨一個難題。”

木衛一的運轉軌道現象

作為太陽系內火山活動最強的天體，木衛一有上百種火山特征。木衛一的火山活動可以向太空噴出長達500千米的帶狀硫磺和二氧化硫，這個距離比從地球到空間站的距離還要遠。木衛一的熱量噴出功率為9萬億瓦特，這比木衛一由于受到木星的潮汐力而產生的功率大好幾倍。對于這個問題，美國加州理工學院的行星科學家戴維·史蒂文森（David Stevenson）說：“木衛一的火山活動有些時期比較活躍，而其他時期則不太活躍。”

一種可能的解釋是，木衛一的軌道在發生周期性變化。受到木衛二（Europa）和木衛三（Ganymede）引力的影響，木衛一圍繞木星的軌道有一點偏心率。就像踉踉蹌蹌的小孩子一樣，木衛一環繞木星運行一周的過程中，總會受到其他兩顆衛星引力的推動，這使得木衛一的軌道不是正圓軌道。這種偏心軌道會加劇木衛一由于受到潮汐力而發生的變形，每轉一周，木衛一的表面將會變形約10米。表面變形時，會產生摩擦。這種由于表面變形摩擦而產生的能量，正是通過火山噴發的形式釋放了出來。

在這個過程中，木衛一的軌道運行能量被提取了出來，因此，木衛一不可能跑到離開木星更遠的地方去。軌道能量不斷變成熱能，最終，木衛一的軌道將會變得非常圓。軌道變圓的情況下，木衛一受到的潮汐作用會弱化，它將會冷卻下來。然后接下來的幾百萬年中，木衛二和木衛三的引力作用會將木衛一推入另一個偏心率比現在大幾倍的軌道，循環又開始了。

巴黎天文臺的行星科學家瓦萊里·萊內（Valery Lainey）同意這種觀點—木衛一的軌道在發生周期性變化。對木衛一超過一百年的觀測也支持這種觀點。觀測發現，木衛一的軌道正變得越來越圓。如果這樣，木衛一猛烈的火山活動也可能正處于衰退期。

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via 環球科學雜志社