夜幕降臨時(shí)，透過(guò)望遠鏡，你會(huì )看到一顆特別的天體，看上去像是一頂紋飾精美的“草帽”，它就是土星，美麗的“帽沿”便是大名鼎鼎的土星環(huán)。土星環(huán)是如何形成的?光環(huán)內物質(zhì)有著(zhù)怎樣的精細特征?一直以來(lái)，無(wú)論是天文愛(ài)好者，還是專(zhuān)業(yè)的天文學(xué)家，都渴望能更多地揭開(kāi)土星環(huán)的面紗。

　　對土星環(huán)進(jìn)行探測，是“卡西尼”號探測器的任務(wù)之一。通過(guò)分析“卡西尼”號任務(wù)結束前傳回的數據，科學(xué)家團隊對土星環(huán)有了新的認識，同時(shí)也產(chǎn)生了一些新的疑問(wèn)。相關(guān)論文日前發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

　　誕生是個(gè)謎 土星環(huán)是個(gè)“年輕人”

　　長(cháng)久以來(lái)，圍繞土星環(huán)的形成有多種假說(shuō)。其中一種認為，土星誕生之初可能就帶著(zhù)光環(huán)，這意味著(zhù)土星環(huán)可能有著(zhù)數十億年的歷史。

　　了解土星環(huán)的質(zhì)量是解鎖其年齡秘密的重要一環(huán)。此前，科學(xué)家已經(jīng)弄清楚了土星環(huán)的質(zhì)量與其年齡之間的關(guān)系：質(zhì)量越低，環(huán)越年輕。

　　燃料耗盡前，“卡西尼”號在土星和土星環(huán)之間進(jìn)行了 22 次俯沖，以進(jìn)入土星的重力場(chǎng)。在那里，它可以感受到土星和環(huán)的引力。一旦科學(xué)家知道引力對“卡西尼”號的影響有多大，他們就能確定土星以及環(huán)的質(zhì)量。

　　通過(guò)分析“卡西尼”號傳回的數據，科學(xué)家對土星環(huán)的質(zhì)量有了新的認知。多年來(lái)，科學(xué)家一直傾向于相信土星主環(huán)B環(huán)的質(zhì)量很大，甚至大過(guò)土衛一。

　　然而，“卡西尼”號的無(wú)線(xiàn)電科學(xué)團隊測量得到的主環(huán)B環(huán)只是土衛一質(zhì)量的 0.4 倍。

　　“這么小的質(zhì)量，不可能是跟土星一起形成的。”中科院國家天文臺研究員平勁松介紹，此外，“卡西尼”號攜帶的宇宙塵埃分析器獲得的數據，同樣支持土星環(huán)的年齡約在 1.5 億—3 億年之間，或是更加年輕這一結論。

　　既然不是和土星同時(shí)形成的，那土星環(huán)是如何誕生的?科學(xué)家推測，可能是一顆彗星或是小行星撞上了土星的一顆衛星，產(chǎn)生的碎屑留在軌道上，被持續撕裂，造就了土星環(huán)。

　　如果這種假說(shuō)成立，那么這顆“粉身碎骨”的天體有多大?平勁松介紹，據測算，它的質(zhì)量和月球差不多大小。

　　土星環(huán)的年齡比此前設想的要年輕得多，是“卡西尼”號帶來(lái)的驚人發(fā)現之一。平勁松認為，現有的發(fā)現改寫(xiě)了土星環(huán)演化起源的歷史，這一形成機制可能不僅適用于土星環(huán)，對于其他行星環(huán)的形成來(lái)說(shuō)也可能是成立的。

　　土星環(huán)的“三面像” 不同結構有獨特成因

　　明亮又寬廣的土星環(huán)，延伸到土星以外遼闊的宇宙空間。從遠處看，它是一個(gè)柔和、整體的光環(huán)。但是，根據探測器近距離拍回的照片顯示，這個(gè)環(huán)并非整體，而是由許多小環(huán)組成。

　　主要的土星環(huán)，寬度從 48 公里到 30.2 萬(wàn)公里不等。距離土星從近到遠的土星環(huán)分別按被發(fā)現的順序命名為D、C、B、A、F、G和E環(huán)。其中，B環(huán)最寬、最亮，質(zhì)量也最大。

　　在最后一次觀(guān)測土星環(huán)時(shí)，“卡西尼”號發(fā)現了從塊狀到稻草狀的各種紋理和圖案。它所拍攝的星環(huán)特寫(xiě)照片展示了星環(huán)內部三種截然不同的結構——團塊結構、平滑結構和條紋結構。

　　星環(huán)內部不同的紋理和結構如何形成的?平勁松逐一進(jìn)行了分析。當一個(gè)小天體撞上土星衛星后，從動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析，撞擊后的碎片會(huì )逐漸從大塊往小塊變化。在這個(gè)過(guò)程中，碎片逐步均勻分布的可能性較高。土星環(huán)中比較平坦光滑的部分，可能就是在這樣一個(gè)過(guò)程中形成的。

　　碎片運動(dòng)過(guò)程，會(huì )受到其他衛星的作用。并不是所有的區域都存在穩定的軌道，在一些屬于共振的區域，會(huì )出現不穩定的情況。碎片停留在不穩定的區域，可能會(huì )被拽走。密度高的地方相對穩定，密度低的地方就不太穩定，這樣會(huì )形成條紋狀的結構。

　　還有一些重新匯聚出來(lái)的、尺寸比較大的土星衛星，它的軌跡和光環(huán)是在一個(gè)平面上。它對光環(huán)的影響，就像一艘快艇沖到河里的效果一樣。光環(huán)在被沖擊的過(guò)程中，一些地方的邊緣就不那么均勻了，進(jìn)而形成團塊的現象。

　　“這是三種比較可能的狀態(tài)，當然，在土星環(huán)的形成過(guò)程中，也還有其他的因素在起作用。”平勁松說(shuō)道。

　　天然的實(shí)驗室 提供研究行星形成的線(xiàn)索

　　事實(shí)上，令科學(xué)家著(zhù)迷的，不僅僅是土星環(huán)本身。土星環(huán)內部物質(zhì)相互作用的過(guò)程，與恒星周?chē)行潜P(pán)內的行星形成過(guò)程極為相似。

　　“因此，土星環(huán)可視作是一個(gè)天然的實(shí)驗室，為科學(xué)家進(jìn)一步了解行星的形成過(guò)程提供諸多線(xiàn)索。”平勁松說(shuō)道。

　　眾所周知，恒星在由氣體和塵埃組成的巨球(原星系盤(pán))中心形成， 剩余的物質(zhì)漸漸凝聚為類(lèi)似土星環(huán)的圓盤(pán)，行星則在這個(gè)圓盤(pán)中逐漸聚集而成。

　　如今的太陽(yáng)系，已經(jīng)很難找到形成之初的直接線(xiàn)索了。但借助對土星環(huán)的研究，或許能部分還原當時(shí)的情形。

　　如果說(shuō)，早期巖石類(lèi)的行星在宇宙中碰撞聚集形成還是一個(gè)假說(shuō)的話(huà)。那么，土星環(huán)里的小衛星，與環(huán)內大量存在的多冰顆粒發(fā)生交互作用，則提供了實(shí)實(shí)在在的例子。

　　“起初，小天體撞擊土星衛星時(shí)，它被分解成無(wú)數個(gè)小碎塊。其中一些在環(huán)內運行時(shí)，相互聚攏堆積成密度不太大、體積略微大一點(diǎn)的天體，成為了土星的衛星。這和早期巖石類(lèi)行星形成的過(guò)程非常相似。”平勁松說(shuō)道。

　　他認為在行星形成演化的過(guò)程中，撞擊和匯聚是平行的兩個(gè)重要方式。碰撞讓物質(zhì)重新分布，匯聚讓體積逐漸變大，最終形成目前所看到的情形。在 39 億年前，甚至更早的時(shí)期，估計發(fā)生概率更高的是一邊碰撞一邊匯聚的情形。

　　隨著(zhù)研究的深入，土星環(huán)的面紗被逐步揭開(kāi)。但關(guān)于土星環(huán)仍然還有不少待解的謎團。比如，土星環(huán)的內環(huán)和高層大氣已經(jīng)很接近了，那么它和高層大氣之間存在什么樣的物質(zhì)交換作用機制?按照目前的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，土星環(huán)會(huì )存在多久?土星環(huán)里大一點(diǎn)的冰塊是否會(huì )再次瓦解?想要回答這些問(wèn)題，還有待進(jìn)一步的科學(xué)研究。
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