夜幕降臨時，透過望遠鏡，你會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(nèi)物質(zhì)有著怎樣的精細特征?一直以來，無論是天文愛好者，還是專業(yè)的天文學家，都渴望能更多地揭開土星環(huán)的面紗。
對土星環(huán)進行探測，是“卡西尼”號探測器的任務之一。通過分析“卡西尼”號任務結(jié)束前傳回的數(shù)據(jù)，科學家團隊對土星環(huán)有了新的認識，同時也產(chǎn)生了一些新的疑問。相關論文日前發(fā)表在《科學》雜志上。
誕生是個謎 土星環(huán)是個“年輕人”
長久以來，圍繞土星環(huán)的形成有多種假說。其中一種認為，土星誕生之初可能就帶著光環(huán)，這意味著土星環(huán)可能有著數(shù)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，科學家已經(jīng)弄清楚了土星環(huán)的質(zhì)量與其年齡之間的關系：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)之間進行了22次俯沖，以進入土星的重力場。在那里，它可以感受到土星和環(huán)的引力。一旦科學家知道引力對“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。
通過分析“卡西尼”號傳回的數(shù)據(jù)，科學家對土星環(huán)的質(zhì)量有了新的認知。多年來，科學家一直傾向于相信土星主環(huán)B環(huán)的質(zhì)量很大，甚至大過土衛(wèi)一。
然而，“卡西尼”號的無線電科學團隊測量得到的主環(huán)B環(huán)只是土衛(wèi)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(shù)據(jù)，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(jié)論。
既然不是和土星同時形成的，那土星環(huán)是如何誕生的?科學家推測，可能是一顆彗星或是小行星撞上了土星的一顆衛(wèi)星，產(chǎn)生的碎屑留在軌道上，被持續(xù)撕裂，造就了土星環(huán)。
如果這種假說成立，那么這顆“粉身碎骨”的天體有多大?平勁松介紹，據(jù)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”號帶來的驚人發(fā)現(xiàn)之一。平勁松認為，現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)改寫了土星環(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)的形成來說也可能是成立的。
土星環(huán)的“三面像” 不同結(jié)構(gòu)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，它是一個柔和、整體的光環(huán)。但是，根據(jù)探測器近距離拍回的照片顯示，這個環(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30.2萬公里不等。距離土星從近到遠的土星環(huán)分別按被發(fā)現(xiàn)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。
在最后一次觀測土星環(huán)時，“卡西尼”號發(fā)現(xiàn)了從塊狀到稻草狀的各種紋理和圖案。它所拍攝的星環(huán)特寫照片展示了星環(huán)內(nèi)部三種截然不同的結(jié)構(gòu)——團塊結(jié)構(gòu)、平滑結(jié)構(gòu)和條紋結(jié)構(gòu)。
星環(huán)內(nèi)部不同的紋理和結(jié)構(gòu)如何形成的?平勁松逐一進行了分析。當一個小天體撞上土星衛(wèi)星后，從動力學過程分析，撞擊后的碎片會逐漸從大塊往小塊變化。在這個過程中，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過程中形成的。
碎片運動過程，會受到其他衛(wèi)星的作用。并不是所有的區(qū)域都存在穩(wěn)定的軌道，在一些屬于共振的區(qū)域，會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。碎片停留在不穩(wěn)定的區(qū)域，可能會被拽走。密度高的地方相對穩(wěn)定，密度低的地方就不太穩(wěn)定，這樣會形成條紋狀的結(jié)構(gòu)。
還有一些重新匯聚出來的、尺寸比較大的土星衛(wèi)星，它的軌跡和光環(huán)是在一個平面上。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)在被沖擊的過程中，一些地方的邊緣就不那么均勻了，進而形成團塊的現(xiàn)象。
“這是三種比較可能的狀態(tài)，當然，在土星環(huán)的形成過程中，也還有其他的因素在起作用。”平勁松說道。
天然的實驗室 提供研究行星形成的線索
事實上，令科學家著迷的，不僅僅是土星環(huán)本身。土星環(huán)內(nèi)部物質(zhì)相互作用的過程，與恒星周圍原行星盤內(nèi)的行星形成過程極為相似。
“因此，土星環(huán)可視作是一個天然的實驗室，為科學家進一步了解行星的形成過程提供諸多線索。”平勁松說道。
眾所周知，恒星在由氣體和塵埃組成的巨球(原星系盤)中心形成, 剩余的物質(zhì)漸漸凝聚為類似土星環(huán)的圓盤，行星則在這個圓盤中逐漸聚集而成。
如今的太陽系，已經(jīng)很難找到形成之初的直接線索了。但借助對土星環(huán)的研究，或許能部分還原當時的情形。
如果說，早期巖石類的行星在宇宙中碰撞聚集形成還是一個假說的話。那么，土星環(huán)里的小衛(wèi)星，與環(huán)內(nèi)大量存在的多冰顆粒發(fā)生交互作用，則提供了實實在在的例子。
“起初，小天體撞擊土星衛(wèi)星時，它被分解成無數(shù)個小碎塊。其中一些在環(huán)內(nèi)運行時，相互聚攏堆積成密度不太大、體積略微大一點的天體，成為了土星的衛(wèi)星。這和早期巖石類行星形成的過程非常相似。”平勁松說道。
他認為在行星形成演化的過程中，撞擊和匯聚是平行的兩個重要方式。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。
隨著研究的深入，土星環(huán)的面紗被逐步揭開。但關于土星環(huán)仍然還有不少待解的謎團。比如，土星環(huán)的內(nèi)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?按照目前的動力學過程，土星環(huán)會存在多久?土星環(huán)里大一點的冰塊是否會再次瓦解?想要回答這些問題，還有待進一步的科學研究。
