土星環形成並非易事,土星「戒指」的年齡指標有哪些?

2020-12-04 冷眼科學

關於太陽系的八大行星,每一顆都有自己獨一無二的標識,比如:土星「戒指」。作為直徑和質量僅次於木星的氣態巨星,土星還有一個特別的名字叫做克洛諾斯(Cronian),這是歐洲古希臘對它的稱呼。關於土星的疑惑有很多,製造廣闊的土星環系統是否輕而易舉,是哪些關鍵指標暗示了土星「戒指」的真實年齡?

延伸近30公裡(從環形的尖端到尖端)的土星環含有大小不等的無數冰冷顆粒,這是行星科學中最持久的謎團之一,它並不僅僅是一個「裝飾」。這是否是太陽系的基本特徵?45億年前的理論性碰撞造就了我們現在所見?這些答案不僅是為了理解行星環,對重建太陽系歷史的科學家來說尤為重要。根據卡西尼號對環質量和亮度的測量來看,很多科學家認為這些環的年齡應該非常年輕。

製造如此廣闊的土星環形系統並非易事

關於土星的戒指,有許多能令人信服的論據可以證明土星的戒指並不年輕。事實證明要通過相對更近的時間,製造一個如此廣闊的環形系統並不是一件容易的事,行星可以將掠過的彗星甚至是整個彗星碎片,進行吸引和分散成了環形結構。當然,還有另一種可能,那就是一個闖入土星衛星之一的交織對象,從飛濺的粉碎月亮形成了環。雖然這些推論看似簡單,但每一種定製方案都是有其特殊要求的。

經過科學調查發現,雖然這些都是很不錯的想法,但在太陽系的周圍有多少彗星飛行、而你又沒有足夠的條件讓這樣的情況發生。至少在過去的幾億年裡,發生這種設定的可能性只有百分之幾。這時,科學家開始假設整個過程並沒有彗星的參與,「戒指」的母體並非外部的土星系統,而是完全來自內部。SETI研究所的Matijauk和其他研究人員發現,當這顆行星處於和衛星出現交叉軌道之時,發生了意想不到的事:時間大約是1億年前,在這個追溯衛星軌道的計算機模型中,處在其中的所有東西都有些偏離原本的軌跡,衛星被推倒了土星軌道上,雖然這些軌道在今天也沒有觀察到,但是模擬的數據顯示發生過。

建模中發生的一切和我們的觀察有所不同

和我們觀察到有所區別,它們的軌道更多被撞擊到土星的赤道平面。早期的衛星系統,必須重新安排到我們今天看到的系統中,這意味著:現在的衛星必須更加年輕,所以才沒有經歷過建模中所發生的一切。經過後來的工作終於發現可能引起重新排列的主要原因,那就是看似很遙遠的太陽。即使在如此遙遠的距離,太陽的引力想要擾亂這顆行星的運動也是輕而易舉的事,正是太陽的微弱引力導致了其和兄弟姐妹之間的碰撞。然後,形成了一個比現在大十倍的戒指,當中有一些甚至聚集形成了新的衛星。

這一系列的假設和推論似乎都很合理,但卻沒有任何能夠解釋,這些碎片產生的物質到底是如何形成環的。因為,想要做到這一點需要一個必要條件,那就是碰撞的碎片和土星之間的距離要足夠接近,這樣才能使得行星的引力可保持不被分散,自然不能是在衛星形成和生活的距離更遙遠之地。即:如何從這些碰撞中獲得物質,而後回到環狀的低軌,這種材料又通過怎樣的作用成為了冰?

模擬古老的環形碰撞更有說服力

相對而言,在實際中舊戒指更容易製作很多。當行星在數十億年前進入目前位置的時候,處在太陽系中的它們在其中晃動了較小的物體,沒有穩定的目標。此時發生了一些古老的大災變,這些事件的結果裝飾了以前沒有環的世界。當暗塵落到環上的速率會隨著時間的推移而發生變化,關於環變暗的基本假設如果是錯的,那麼,環可能本就是原始的,並且具有超自然的明亮光澤。

雖然結冰環粒子和塵埃之間的撞擊高速,但可能並不會像科學家們以為的那樣足以讓土星環著色,也就是說沉積的陰影會比之前預期的更少。模擬孤島的環形碰撞應該是更具有說服力的可能。當碎片的初始質量就高於電流環中的碎片,那麼它會面臨快速擴散和消散。它們中的一些落入了土星,另一些則落入了環和衛星。

在這樣的情況下,不管你的質量是Mimas的1倍或是10倍,因為時間超過了數十億年,通過基本的軌道動力學都可表明,對於我們今天所看到的確切數量的材料,它幾乎都可以解決。簡而言之,如果這樣的相撞已經傳播了40億年,那麼人們所期望的精確質量就恰好和這些戒指相當。

有哪些關鍵指標可以暗示「戒指」年齡

關於土星環的起源爭議可以追溯到幾十年前,這些數據主要是旅行者1號和2號任務的近距離探測。觀察結果暗示這些戒指的重量足夠輕盈,並不能在太陽系的數十億年歷史長河中保留自身的光芒。並且,卡西尼仔細測量所得的戒指質量和旅行者號的數字也很接近。

確定年齡的另一個關鍵指標是:通過太空飛行器和環的擦肩而過,舀起了灰塵和其他顆粒,幫助估計淹沒了多少暗色碎片,這些數據都進一步暗示了戒指非常年輕,土星的水冰環依然是亮白色,雖然被散落的黑暗碎片不斷拂去(外太陽系中腐爛物體所散落的碎片)。

我們並沒有證據顯示這些環有被汙染過,同時,這些環在吸收材料的同時,也在不斷的向大氣層噴出冰冷顆粒。如果用一個時間來具象化預估,那麼這樣的陣雨可能在3億年內就完全消耗掉這些環。想要解釋它們可能存在了45億年,某些想法目前是無法解釋的。

土星環系的演化和重建觀察到的過去及未來

關於土星的長期演化和起源是現代行星科學尚未解決的一個問題,「旅行者時代」表明土星的環不超過100My,它的擴散環系統也被認為是一顆、甚至多顆衛星物質損失所導致的後果。時間來到「卡西尼時代」,其中的某些問題因為光譜解析度和高空間數據而取得進展,比如發現了A環中的「螺旋槳」,月球的形狀被嵌入環形等。

或許,想要解決土星的謎團,行星動力學領域是可行的解決方案,通過引力相互作用的模擬,我們可以重建今天所觀察到的過去、甚至是未來;或是通過實驗室對黑暗塵埃和冰冷顆粒高速碰撞的檢查,可以最終確定塵埃的顏色和冰冷;又或是土星表面的隕石坑需要進行更詳細的分析,通過這樣的方式更好的確定它們的真實年齡。

經過過去的20年時間的探索,數值模擬也變得更加進步,了解了戒指的形成,讓我們對太陽系的理解提供了更加明確的背景。這些因素對於我們而言都有非常重要的意義,強化了土星環動態和快速發展的觀點。科學家們暫時無法就戒指的形成和大小達成一致,雖然存在多種預測和解釋並不一致,但探索之路也因此而變得有趣。

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