科學新聞

土星環的年齡

Christopher Crockett

盡管有可能與太陽系一樣古老，但土星環卻保持著一個年輕的外觀。炫目的冰帶繼續保持著它們年齡的秘密，但是研究人員希望在圍繞土星運行的航天器的幫助下得到答案。

自2004年起，從在軌的卡西尼號航天器上傳回的數據有助于解決一個歷經數十載有關土星環年齡的爭論。土星環是圍繞這顆行星由冰塊組成的寬闊環帶，它們有可能很古老，可追溯到大約46億年前；或者是比較年輕，不過是最近1億年之內的添加物而已。有關這2個“腳本”的證據在9月16日召開的美國天文協會行星科學分會的會議上被呈現出來。

土星環中并沒有足夠的污染物以支撐它們遍布如此長的時間，來自于搜尋地外生命學會（SETI）的行星科學家Paul Estrada指出。卡西尼的數據顯示出，與此前猜想不同的是，大約有25倍之多的殘骸如雨點般降落于圓環之上，這些碎片大部分來自于海王星之外的柯伊柏帶。所有太陽系內部的殘骸雨不應該只降低了星環的亮度，每一次撞擊還會對材料進行重新分配。對主環內部邊緣觀察到的成分方面的鮮明對比顯示出它們并不能維持數億年之久，Estrada說道。

“星環是最近才形成的”觀點其問題在于是如何做到的。“在最近1億年間形成星環是非常困難的，”來自于科羅拉多博爾德大學的行星科學家Larry Esposito說道，“這可不是一段令人激動的時間。”土星環有可能形成于星體的撞擊，但是在最近的幾十億年間，并沒有大量的材料飛掠過土星或者太陽系。

Esposito指出，盡管呈現出某些年輕的面貌，星環還是古老的，可重復利用的物質隱藏于它們的頂層之下，這使得污染程度低于預期。同樣，某些輕量級星環有可能形成時間非常近，但是看起來很古老，他說道，星環中規模最大的部分則已經支持了幾十億年。

部分解決年齡問題的方法在于搞清這個星環的規模到底有多大。卡西尼的觀測顯示出，這些星環相當巨大——或許可與土衛一（MilTIaS）相提并論——盡管那并非大名鼎鼎。“如果下手早，就可以很容易制造一個如此巨大的星環，”同樣來自于科羅拉多博爾德大學的Glen Stewart說道。幾十億年前比近期更具備建造如此巨大星環的物質條件。

輕量級星環有可能是在近期形成的。計算機模擬顯示出，圍繞土星運行的衛星軌道有可能在最近的數億年問改變了許多，Estrada說道。那些變化的軌道有可能會導致不同的腳本，在這些腳本中，不排除衛星之間的相互摧毀，從而創造出擴散的冰塊殘骸，進而形成了星環。

來年，有關土星環年齡的爭論就可能失去意義。目前正在就明年9月卡西尼號的任務結束作著準備，飛行器將會啟動某些大膽的機動嘗試，并對星環中擁有的質量進行測量。卡西尼號將會數次潛入到行星與星環之間，飛掠土星的大氣層。“這有點像神風突擊隊，”Stewart說道，“首次在幾乎沒有軌道的情況下，他們將天線前置作為沖擊護盾。”

一旦進入星環，研究人員就能測量行星對航天器的引力牽引，并對在早期軌道上行星與星環共同作用于探測器上的引力牽引進行對比。

搞清土星環的質量與年齡不僅僅只是解決了一顆行星在某個方面的一個謎團。了解土星是如何成為類似寶石裝飾的形態或可就為什么其他行星各不相同提供深層次的洞察，從而揭示出有關它們起源的更多細節。“為什么土星擁有巨環而木星沒有？”Esposito問道。“是運氣的問題，還是時間的問題呢？”

星環并不只是行星獨有，它們也會圍繞恒星形成。那些環繞著年輕恒星的冰塊與塵埃帶被認為是遍及整個宇宙的行星誕生之地。形成我們太陽系的圓盤早已蕩然無存，但是那個圓盤與圍繞土星的圓環在物理基礎上是大致相同的。明白了這個就有助于研究人員明白另一個。

王麒 譯自《科學新聞》（ScienceNews）2016年11月12日