天文冷知識:土星衛星的十大未解之謎

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2005年5月22日美國宇航局（NASA）的卡尼西號宇宙飛船拍攝的圖片展示了，土星冰冷的衛星土衛四狄俄涅（Dione)漂浮在巨大行星之前。圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室/太空科學研究所。

土星的神秘遠不止它那雄偉的光環。這顆行星擁有62顆奇異的衛星。土衛六泰坦（Titan）是一顆比我們的月球還要巨大得多的冰雪世界，以其稠密，朦朧的大氣層和甲烷海而聞名。土衛二恩克拉多斯（Enceladus）則是一顆明亮的白色冰球，其冰冷的外殼內包裹的是液態海洋，氤氳的水柱從南極附近的裂縫中不斷地噴湧。土衛十八潘（Pan）坐落於其光環之中，以看起來似義大利方餃而聞名，而土衛十傑納斯（Janus）看起來則像顆肉丸子。卡西尼號的科學家們甚至發現一個在環內旋轉的物體，暱稱為佩吉（Peggy)，極有可能是一個正在形成或者解體的衛星。

雖然我們已對這些衛星的迷人之處略有所聞，但是關於土星衛星群以及它們能教給我們哪些太陽系演變的知識，依然有很多問題懸而未決。以下是科學家正在努力解決的眾多謎團中十大未解之謎：

畫家筆下的土星環和它幾顆知名的衛星。圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室

1、土星的衛星多少歲了？

大多數行星的衛星形成的時間都和太陽系其它天體一樣久遠，超過40億年。尤其是木土星那些較大的衛星，表面布滿了久遠歷史留下的隕石坑。但是最近一個模型則指出土星的一些衛星可能比較年輕，它們僅有1億年甚至是更少的歷史。

科學家是依據土星衛星的軌道高度判斷它們的年齡。行星與衛星間的引力猶如拔河賽，經過一段漫長的時光後，衛星軌道會被逐漸推向遠離行星的宇宙空間（比如，每年月球就以指甲生長的速度遠離地球）。最近的研究指出，如果土星的衛星像太陽系一樣老，那麼靠近土星環的衛星此時應該被推得很遠了。這個結論與土星衛星傷痕累累的表面所表現出來的年齡相互衝突，但是它為人類探索土星系的歷史提供了新的思路。

卡尼西號宇宙飛船將其攝像頭轉向土衛一美馬斯（Mimas），並監測巨大的赫歇爾隕石坑，它本身看起來就像凝視著太空的眼睛的虹膜。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所。

2、土星的衛星都是同一段時間產生的嗎？

我們不這麼認為。事實上，如今仍有許多小衛星在土星環邊緣外形成。其中一些衛星，包括最小最靠近土星的衛星——土衛一美馬斯（Mimas），構成土衛一美馬斯（Mimas）的物質有可能和構成土星環的物質相同，這就使得土衛一美馬斯（Mimas）有可能比我們之前所想的要年輕。構成它的材料應該包含了那些環繞土星的彗星和小行星的碎片。或者有一些早期衛星由於碰撞或者被引力遷移而太過於接近土星，被它強大的引力撕成了碎片。另外一種理論說太陽系形成後十億年左右，行星位置發生了重排，導致行星周圍形成了大量小天體，它們隨著引力作用被拋得到處都是並不停地發生碰撞，使其成為了成為新衛星的好材料。

這個理論同時也顯示出有些衛星是土星「領養」的孩子。表面布滿「青春痘」的土衛九菲比（Phoebe）可能就來自很遠的地方，在某個時間點被土星引力捕獲。我們之所以這樣認為是因為構成土衛九菲比（Phoebe）的原料來自太陽系遙遠的邊陲，這遠遠超出了土星的範圍。同時，它的環繞距離也遠比其它衛星要遠，而且和其它衛星相比，它是以反方向圍繞土星運轉的——也就是我們常說的「逆行軌道」。還有一個較小的外環衛星也處於逆行軌道上衛星，同時它相對於土星赤道也有一定的傾斜角，種種跡象都表明它是一顆被捕獲的衛星，而非與其它衛星一起形成的。

這張由美國宇航局（NASA）的卡西尼號宇宙飛船拍攝的真實的彩色快照中，土星最大的衛星土衛六泰坦(Titan)的彩色球體在土星及其光環前經過。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所。

3、為什麼土星的大型衛星比木星少？

木星，一顆比土星還要大的氣態巨行星，它擁有4顆大型衛星（2019年木星已知衛星有79顆）。這四顆衛星被稱作「伽利略衛星」，是以17世紀早期第一位發現它們的天文學家伽利略命名的。它們分別是木衛一伊娥（Io）、木衛二歐羅巴（Europa）、木衛三蓋尼米得（Ganymede）和木衛四卡裡斯託（Callisto）。土星只有一顆體積與它們相仿的衛星——土衛六泰坦（Titan）。我們不知道為什麼木星的大型衛星可以保持完整的同時土星的衛星卻被引力撕碎。有一種可能是木星衛星的軌道高度比較高，它們被引力撕碎的風險就比較低。

土衛一美馬斯(Mimas)最近才剛形成環邊緣（ansa)，並且向右移動。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所。

4、為什麼有的衛星擁有液態水海洋而其它則十分乾旱？

這就不得不提到衛星的年齡了。通過美國宇航局（NASA）卡西尼探測器長期的近距離探測，我們得知土衛二恩克拉多斯（Enceladus）、土衛六泰坦（Titan)擁有液態水海洋，而土衛四狄俄涅(Dione)可能擁有液態水海洋。但是為什麼土衛一美馬斯（Mimas)沒有？它和土星的距離比土衛二恩克拉多斯（Enceladus)更近，更容易受到引力變化的影響，從而使其內部產生足夠的熱能維持體內液態海洋的存在。但是如果土衛一美馬斯（Mimas)是一顆十分年輕的衛星的話，就不難解釋它為什麼這麼幹燥了，詳細的分析請看行星科學家馬克·內沃（Marc Neveu）在4月1日自然周刊天文版發表的論文。

馬克的研究中指出，土衛一美馬斯（Mimas)可能還不到10億歲，它形成於土星光環中的疏鬆物質。在這個假想的情況下，當碎片合併成為土衛一時，它已經於先前的幾十億年中逐漸失去了放射熱（由於巖石中特定化學元素積年累月的核衰變產生的熱量）。如果沒有內部的放射熱，土星的拉力永遠無法讓冰冷而結實的土衛一表面軟化並加熱到足以化冰成水、形成液態海洋的程度。現今仍有一些證據表明土衛一美馬斯（Mimas)上可能存在海洋。卡西尼號發現，這顆小衛星自轉時搖搖擺擺，這個謎團的成因或許是不規則形狀的固態內核，或許正是翻滾的海洋藏在土衛一美馬斯（Mimas)的冰表面之下。

這引人注目的景象使我們從土衛二恩克拉多斯（Enceladus)的間歇泉盆地區域看到面對著土星的巴格達和大馬士革斷裂的盡頭。間歇泉的來源是土衛二恩克拉多斯（Enceladus)的地下液體海洋。圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室/太空科學研究所。

5. 這些衛星上的海洋與地球上的差不多嗎？

正如地球上的海洋，土衛二恩克拉多斯（Enceladus）的海洋也是鹹的。而水中的含鹽量證實了海水可能正在與衛星的巖石核心發生著化學反應，使得這片海洋能孕育簡單生物的可能性增加。在地球上，這種反應為生活在海平面之下幾英裡，黑暗海床之上的生物提供了能量與養分，使他們茁壯繁殖。土衛二恩克拉多斯（Enceladus）上也會發生同樣的事情嗎？土衛六泰坦（Titan)也有液態海洋，但科學家們不清楚這片海洋是否在與冰層或海底的巖床發生這樣的反應。

土衛三特提斯（Tethys)消失在土衛六泰坦（Titan)背後。由卡西尼探測器拍攝於2009年11月26日。圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室/太空科學研究所。

6. 這些海洋存在了多久？

它們很大可能已經存在了數十億年，因為衛星形成以後，很難形成一個地下海洋。儘管已經把巨大的撞擊作為一種可能性進行研究，科學家們仍未能對於土衛二恩克拉多斯（Enceladus）最初如何形成作出一個明確的解釋。而另一方面，土衛六泰坦（Titan）的海洋有可能和其衛星本身同時形成，也就是40多億年前。它或是土衛六泰坦（Titan）深處的放射性衰變熱熔化的結果，或是被撞擊產生的熱熔化的結果，又或者這些因素綜合性的結果。而重力牽引產生的熱量並不是它形成的主要因素，因為土衛六泰坦（Titan）離土星太遠。

從遠處可看見土衛二恩克拉多斯（Enceladus)迷人的南極噴流，在陽光的照射下，衛星本身在反射的土星光中發出柔和的光芒。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所。

7.海洋中有生命的存在嗎？

我們尚未知道土星衛星們裡的海洋是否具備維持生命所必須的組成部分，但是一些有趣的跡象表明它們可能具備。土衛二恩克拉多斯(Enceladus)是美國宇航局（NASA）尋找地球以外的生命的首要目標之一，因為它似乎具備三種最重要的唯一生命的成分：正確的化學成分(如碳或氫)、可用能源和液態水。

2015年當任務接近尾聲時，NASA卡西尼號宇宙飛船飛經土衛二恩克拉多斯（Enceladus）噴出的水柱時，探測到氫分子。這有助於加強土衛二恩克拉多斯（Enceladus）的可居性，因為氫是地球上熱液噴口附近的生長旺盛的生物的重要食物來源。

相當於地球一半大小的土衛六泰坦（Titan），它引人入勝的不僅在於其內部海洋，而且在於稠密的富含氮的大氣層，以及複雜的碳化學成分。無論它是否有人居住，土衛六泰坦（Titan)都是一個生命化學的神奇的天然實驗室。

環內衛星土衛三十五達佛涅斯 ( Daphnis ) 在基勒環縫 ( Keeler Gap ) 內運行時，會在環顆粒之間產生「波浪」。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所。

8.衛星們會永伴土星嗎？

土星的主要衛星們或會永遠繞著這顆行星運行，但一些更小更弱的環狀衛星或會消失。較新的小衛星由環內鬆散物質產生，更有可能發生毀滅性的碰撞，並被引力潮汐所破壞。

2006年3月13日，卡西尼號宇宙飛船上的窄角攝像頭捕獲到這張土星及其光環的照片，圖片中土星環在邊緣位置。該框架裡該出現了土衛一美馬斯（Minas)，小雅努斯（環上方）和土衛三特提斯（環下方）。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所。

9.內部衛星為何如此快遠離土星？

隨著時間的推移，衛星會慢慢遠離它們的母星，這是一種自然現象。如今土星內部也被其衛星引力拖拽著，使其離衛星更近一些。(類似於月球引力牽引著地球的海洋，創造潮汐。)同時土星的引力也會牽引衛星，在這場拉鋸戰中，土星迫使其衛星進入越來越寬的軌道。像坐在旋轉木馬上的孩子被推向邊緣一樣，土星把它的衛星推離自己。

美國宇航局（NASA）以外的一組研究人員進行的一項分析表明：鑑於土星內部的衛星離行星（土星）較近，它們向外移動的速度可能比預期的要快。科學家們將卡西尼號10年來對土星衛星軌道的測量結果與保存在攝影板上的100年前的望遠鏡圖像進行了比較分析。他們的分析表面，這些衛星們還「很年輕」，否則，在土星形成後的46億年裡，它們會飄離土星很遠。這個想法十分有趣，卡西尼號的研究人員表示，觀測100年時間不可能足夠長到足以辨別這些衛星門的軌道的變化。

那麼它們會飄走嗎？從某種意義上說，是的，就像地球的衛星月亮一樣。不過，所涉及的時間量或會長於太陽系的預期壽命（即數十億年）。

土星環也許是太陽系任一世界最被認可的特徵。它主要由水冰顆粒組成，大小不等，細如塵埃，大如山。圖片來源：NASA/JPL/太空科學研究所

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10.關於衛星們：土星環是什麼回事？

事實上，它們正在消失，存立其中的小衛星們也是如此。研究人員表示它們或會在1億年內消失。在重力的作用下，土星環被拉入土星，形成一場穩定的塵埃大小的冰粒雨。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. solarsystem

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