土星環有多老？ 爭論仍在繼續

在我們太陽系的奇觀中，有一個堪稱所有外星和超凡脫俗事物的象徵：雄偉的土星環，燦爛奪目地升起在巨大的行星黃油般的雲層交錯的表面之上。

這些環從一端到另一端延伸近 30 萬公里，包含無數冰粒子，大小從“微觀”到“移動房屋”不等，這使得土星無疑引人注目。但它們不僅僅是裝飾品，還是行星科學中最持久的謎團之一。簡而言之，專家們無法就環是如何形成的，甚至它們有多老達成一致意見。土星的環是太陽系原始特徵嗎？大約在 45 億年前，當混亂和碰撞塑造了我們今天看到的大部分事物時就出現了嗎？還是它們出現得更晚近？

答案不僅對致力於瞭解行星環和重建太陽系歷史的科學家至關重要；它還可能對天體生物學家產生令人眼花繚亂的影響，他們想知道外星生命是否可能在土星的小型內衛星土衛二的冰冷地殼下繁衍生息，土衛二的地下全球海洋被認為是尋找地球以外生物的最佳地點之一。

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雖然並非最終定論，但解決這場辯論的最佳可用資料來自 NASA 卡西尼號航天器的最後幾年，該航天器於 2004 年至 2017 年繞土星執行。根據卡西尼號對環的質量和亮度的測量，許多科學家現在認為它們非常年輕，可能在1 億年前才突然出現，當時恐龍仍在地球上漫遊——這意味著，如果透過某種蜥蜴望遠鏡觀察，土星可能奇異地沒有環。

但並非所有人都信服；一些批評家說，在現在和不久前的相對平靜的太陽系中製造如此廣闊的環實在是太難了。

“我不反對年輕的環。我只是認為沒有人找到一種非常合理的製造它們的方法，”西南研究所的環專家盧克·多恩斯說。“這需要一個不太可能發生的事件。”

數十年的爭論

今天關於土星環起源的爭論可以追溯到幾十年前，主要是因為星際旅行者 1 號和旅行者 2 號任務首次近距離探測該系統。這些觀測暗示，這些環出奇地輕，缺乏足夠的重量來在太陽系數十億年的歷史中保持其珍珠般的光澤。這些環似乎非常年輕——但理論家們努力設計一種機制來解釋它們相對近期的形成。

然後卡西尼號來了。在任務結束時，航天器在土星雲頂和環系統最內緣之間進行了二十多次大膽的俯衝。當它穿過針眼時，卡西尼號仔細測量了環的質量，得出的數字與旅行者號相似：大約是土衛一質量的一半，土衛一是一顆小型冰衛星，與《星球大戰》中的“死星”空間站有著驚人的相似之處。

但這只是故事的一部分。在任務早期，航天器還掠過環的邊緣，收集塵埃和其他粒子，以幫助估計這些結構從周圍環境中吸收了多少黑暗碎片——這是確定其年齡的另一個關鍵測量。與對系統質量的測量一樣，卡西尼號對土星附近塵埃的讀數進一步暗示了年輕的環：儘管不斷受到來自外部太陽系暗淡物體的黑暗碎片的影響，土星的水冰環仍然是亮白色的。正如邏輯所推斷，環越老，它們應該越暗——除非它們足夠巨大，可以在數十億年的時間裡積累黑暗塵埃，同時仍然保持其年輕的光澤。

西南研究所的羅賓·卡努普將這一證據線稱為年輕環的“汙染論證”。她說：“環是明亮的事實以某種方式告訴我們，它們沒有被有效地汙染，或者至少我們沒有看到汙染的證據。”

其他觀測表明，環不僅在吸收物質，而且還在大量損失物質，不斷地將冰粒子雨送入行星大氣層。事實上，根據一項估計，這種冰粒子雨可能會在 3 億年內耗盡環，因此土星最獨特的特徵似乎確實可能是短暫的。

“它們可能存在 45 億年的想法真的讓我無法解釋，”亞利桑那大學研究土星環及其眾多衛星之間相互作用的埃裡克·阿斯普豪格說。

年輕的環，按需製造

即便如此，仍然有許多有力的論據反對土星所謂的年輕環。事實證明，如此近期製造如此廣闊的環系統絕非易事；機率對它不利。當然，這顆行星可能已經撕碎了一顆過路的彗星的全部或一部分，將剝離的殘骸散佈成環；或者，是的，可能一顆闖入的天體撞擊了土星的一顆衛星，從飛濺的、粉碎的衛星碎片中形成了環。但對於任何誠實的理論家來說，這種按需定製的場景都帶有特殊懇求的意味。

“我們確實對有多少彗星在外部太陽系中飛行有一個相當好的瞭解，而且你根本沒有足夠的彗星來使這種情況成為可能，”多恩斯說。“在最近數億年的時間裡，發生這種情況的機率可能只有百分之幾。”

但假設根本沒有彗星參與——環的母體完全來自土星系統內部而不是外部。在研究這顆行星近距離衛星的奇特軌道時，SETI 研究所的馬蒂亞·丘克和他的同事們發現了一些令人驚訝的事情。在追蹤這些衛星軌道回溯時間的計算機模型中，大約在 1 億年前，一切都變得有點不正常，衛星被推到今天根本沒有觀察到的軌道上。

“它們的軌道確實比我們觀察到的更大幅度地被撞出土星赤道平面，”丘克說。“這意味著我們正在建模的這段歷史從未發生過，而當前的衛星必然比那更年輕。”

換句話說，早期的衛星系統一定被重新排列成我們今天看到的系統。

起初，尚不清楚是什麼可能引發了這種重新排列，但隨後的研究指出了一個意想不到的罪魁禍首：太陽。即使跨越遙遠的距離，太陽的引力也會擾亂行星的運動——更重要的是對於這個故事，擾亂它們的衛星。丘克和他的同事們發現，土星的軌道有可能接近一個點，太陽微弱的引力影響可能會非常輕微地推動一顆大型內衛星進入不同的路徑，從而導致與兄弟姐妹的碰撞。

“然後你形成一個比你現在擁有的環大 10 倍的環，其中一些環會吸積並形成新的衛星，”他說。

這個場景的一個令人困惑的推論是，土星現有的內衛星會像丘克所說的那樣，從碰撞的碎片中結合並生長出來——這意味著土衛二、土衛一和任何軌道離行星如此近或比土衛五更近的天體也大約有 1 億年的歷史。然而，這種情況與基於計算其表面隕石坑的內衛星年齡估計形成鮮明對比。此外，年輕的土衛二可能會給希望這顆衛星的全球地下海洋已經存在足夠長的時間以供生命在那裡進化的天體生物學家帶來重大問題。

“我認為人們不喜歡聽到這個，”丘克說。

卡努普和其他人表示，雖然丘克的假設是合理的，但它未能解釋衛星碰撞產生的物質將如何形成環。要做到這一點，碰撞的碎片需要足夠靠近土星，以便行星的引力將其保持分散，而不是在衛星形成和居住的更遠的區域。

“你如何將來自那種碰撞的物質帶回環所在的低軌道，以及你如何使該物質僅為冰？”卡努普問道。

原始汙染？

事實是，較老的環更容易製造。數十億年前，當行星在其當前位置穩定下來時，它們像過度攝入咖啡因的、瞄準不穩的檯球運動員一樣，在整個太陽系中發射較小的天體。因此，卡努普說，最簡約的解釋是，某種古代災難裝飾了以前沒有環的世界，科學家需要重新審視他們指向年輕環的汙染論證。

如果黑暗塵埃落到環上的速率隨時間變化，或者如果關於塵埃如何使環變暗的基本假設是錯誤的，那麼環可能是原始的——儘管具有異常活潑的光澤。

“很明顯，雪落下時是美麗而明亮的，而且不需要太多汙垢就能使雪看起來很暗，”多恩斯說。但是，他指出，塵埃和冰環粒子之間的高速撞擊可能沒有以科學家懷疑的確切方式給環著色，可能沉積的陰影比預期的要少。

卡努普說，更令人信服的舊環故事是古代環形成碰撞的模擬。如果碎片的初始質量大大高於當前環中的質量，它將迅速擴散和消散。其中一些會落入土星，一些會逃逸到軌道中，其餘的會沉澱到衛星和環中。她說，奇怪的是，無論你從土衛一質量的一倍還是十倍開始，經過數十億年，基本的軌道動力學表明它將穩定在幾乎完全是我們今天看到的物質數量。

“環恰好具有人們所期望的精確質量，如果它們已經碰撞和擴散了四十億年，”卡努普說。當卡西尼號的觀測同時支援舊環和年輕環時，儘管方式不同，但得出最終答案是棘手的。

“當你的預測或解釋是獨立的，並且最終彼此矛盾時，事情就變得有趣了，”她說。

一個環（系統）統治一切

我們為辨別土星真相所做的曲折努力遠未完成。有些東西給這顆行星套上了環，即使我們尚未了解是如何做到的。

“我看到土星系統正處於級聯的中間——一個混亂的級聯。在我看來，它還沒有完成，”阿斯普豪格說。

的確，整個土星系統有點像一個謎。不僅行星環令人費解，而且其龐大而多樣的衛星陣列也難以解釋。從土衛八（一顆雙色衛星，由於奇特的赤道脊和扁平的兩極而像核桃）到朦朧的土衛六（一顆擁有油湖和外星化學物質的巨型衛星），再到可能曾經擁有自己環的內衛星，土星系統是一個充滿怪異事物的聚寶盆。因此，任何聲稱要解釋環的故事也必須在某種程度上解釋這些和其他怪異事物。

“我看到了很多不可能的地質事物。我看到一顆應該看起來像卡利斯托的行星，但看起來像土衛六。我看到不應該存在的衛星，如土衛二和土衛一，它們有嚴重的隕石坑歷史——無論這是否意味著它們很古老，我們都不知道。然後你看到土衛二像火箭一樣噴發，它是太陽系中最可靠的噴發體，這作為地質學家來說對我來說沒有任何意義，”阿斯普豪格說。“土衛一獲得的比土衛二更多的潮汐加熱，但它像死門一樣死了！這一切都不合理！”

解決土星謎團的方案，也許在於行星動力學領域，引力相互作用的模擬重建了我們今天觀察到的過去（和未來）。或者答案可能依賴於基於實驗室的黑暗塵埃和冰粒子之間高速碰撞的檢查，以確定塵埃究竟是如何給冰著色的。這可能意味著重新審視關於彗星與土星發生命運攸關的遭遇的可能性假設。或者，它可能需要更詳細地分析土星內衛星群的隕石坑表面，以更好地瞭解它們的真實年齡，也許是透過傳送另一艘航天器到這顆行星的附近巡遊。

“認為環是古老的，並且一直在穩定地受到汙染物質的轟擊，而汙染物質與我們今天看到的相同？這個想法行不通，”科羅拉多大學博爾德分校的拉里·埃斯波西託說。“但是，什麼可能的機制可以如此近期形成環？沒有現有的理論是令人滿意的。”