夜幕降臨時(shí)，透過望遠(yuǎn)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(nèi)物質(zhì)有著怎樣的精細(xì)特征?一直以來，無論是天文愛好者，還是專業(yè)的天文學(xué)家，都渴望能更多地揭開土星環(huán)的面紗。

對(duì)土星環(huán)進(jìn)行探測(cè)，是“卡西尼”號(hào)探測(cè)器的任務(wù)之一。通過分析“卡西尼”號(hào)任務(wù)結(jié)束前傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)土星環(huán)有了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也產(chǎn)生了一些新的疑問。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(zhǎng)久以來，圍繞土星環(huán)的形成有多種假說。其中一種認(rèn)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(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(hào)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(duì)“卡西尼”號(hào)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(hào)傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家對(duì)土星環(huán)的質(zhì)量有了新的認(rèn)知。多年來，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，甚至大過土衛(wèi)一。

然而，“卡西尼”號(hào)的無線電科學(xué)團(tuán)隊(duì)測(cè)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(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松介紹，此外，“卡西尼”號(hào)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(shí)形成的，那土星環(huán)是如何誕生的?科學(xué)家推測(cè)，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(cè)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(shè)想的要年輕得多，是“卡西尼”號(hào)帶來的驚人發(fā)現(xiàn)之一。平勁松認(rèn)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(jī)制可能不僅適用于土星環(huán)，對(duì)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(dú)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(yuǎn)處看，它是一個(gè)柔和、整體的光環(huán)。但是，根據(jù)探測(cè)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30.2萬公里不等。距離土星從近到遠(yuǎn)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(cè)土星環(huán)時(shí)，“卡西尼”號(hào)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(tuán)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(jìn)行了分析。當(dāng)一個(gè)小天體撞上土星衛(wèi)星后，從動(dòng)力學(xué)過程分析，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)過程中形成的。

碎片運(yùn)動(dòng)過程，會(huì)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(huì)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(huì)被拽走。密度高的地方相對(duì)穩(wěn)定，密度低的地方就不太穩(wěn)定，這樣會(huì)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(gè)平面上。它對(duì)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(jìn)而形成團(tuán)塊的現(xiàn)象。

“這是三種比較可能的狀態(tài)，當(dāng)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(shí)驗(yàn)室 提供研究行星形成的線索

事實(shí)上，令科學(xué)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(gè)天然的實(shí)驗(yàn)室，為科學(xué)家進(jìn)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(gè)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(duì)土星環(huán)的研究，或許能部分還原當(dāng)時(shí)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(gè)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(shí)實(shí)在在的例子。

“起初，小天體撞擊土星衛(wèi)星時(shí)，它被分解成無數(shù)個(gè)小碎塊。其中一些在環(huán)內(nèi)運(yùn)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(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(rèn)為在行星形成演化的過程中，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(jì)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(guān)于土星環(huán)仍然還有不少待解的謎團(tuán)。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(jī)制?按照目前的動(dòng)力學(xué)過程，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?想要回答這些問題，還有待進(jìn)一步的科學(xué)研究。(記者 唐 婷)