土星很古老，但它的光环只和恐龙一样古老

土星环是太阳系中最美丽的景观之一，但我们从未完全了解它们的起源。由于美国宇航局的卡西尼号探测器在 2017 年 9 月坠毁前收集了最新一批数据，这一情况正在迅速改变。根据周四发表在《科学》杂志上的研究结果，土星环比土星本身年轻得多——只有大约 1000 万到 1 亿年的历史，而这颗气态巨行星的年龄约为 45 亿年。在土星存在的大部分时间里，它都是一个巨大的裸体婴儿，太阳系只是在最近才给它戴上了一些光环。

“旅行者号和卡西尼号的测量结果已经提供了线索，表明土星环不是随土星一起形成的，”罗马大学研究员、新研究的主要作者 Luciano Iess 说道。“但现在我们有了更确凿的证据，而这只有在任务的最后阶段——大结局阶段——才有可能获得。”

他指的是卡西尼号的最后几天——在这几天里，这艘航天器在狂野的最后欢呼声中结束了为期 13 年的土星系统轨道运行，六次在土星大气层和土星环之间向土星近距离俯冲，最后一头扎进大气层，在解体前收集尽可能多的数据。

在最后阶段，卡西尼号已经足够接近土星，可以测量土星及其光环周围的引力场。在准备测量时，伊斯和他的团队创建了详细的模型，利用已知的和预测的土星大小和成分来预测引力场可能是什么样子。

“结果证明，所有这些模型都是错误的，”加州大学伯克利分校行星研究员、新研究的合著者伯克哈德·米利泽 (Burkhard Militzer) 表示。“这些结果让我们大吃一惊。重力场很奇怪，我们只是不明白它实际上会是什么样子。”土星的引力比土星环的引力大 4000 万倍。

重力场测量结果有两个重大发现。首先，赤道周围一定存在大量流动，才能解释这种不寻常的重力场。其次，对环质量的估计（源自重力场测量）表明，这些环的质量比之前认为的要小，颜色也比之前认为的要浅，这强烈表明它们的历史很短，而且它们曾经的质量可能比现在要大。

“这是首次利用重力测量土星环的质量，”米利泽说。“之前也曾有人尝试利用密度波进行测量，但重力测量结果更加可靠和可靠。这是我们第一次真正测量土星环的质量。”

从引力场数据推导环质量相对容易且直观，但从环质量推导环年龄，正如 Iess 所说，则要复杂得多。我们已经知道陨石会随着时间的推移逐渐使环变暗。如果我们假设环最初是纯冰，我们就可以利用环的暗度来估计有多少陨石撞击了环。将这些数据与环质量数字相结合，我们就可以确定环达到目前暗度所需的时间，这实际上可以让我们了解环的年龄以及它们形成时间的大致情况。

新发现并没有告诉我们这些光环究竟是如何形成的，但研究小组认为，土星系统内部某种剧烈的灾难性碰撞很可能在其中发挥了作用。“某种物质爆炸，形成了我们今天看到的数不清的环状粒子，”米利泽说。鉴于这些光环非常年轻，“太阳系形成时并没有发生过这种现象。”巧合的是，光环形成的时间范围——1000 万至 1 亿年前——与恐龙灭绝的时间范围相同（6500 万年前），也是由撞击造成的。目前还不清楚这些事件是否以某种方式相关，但这些新发现表明，当时太阳系可能正处于某种不寻常的物体剧变和碰撞之中。伊斯补充说，一些同事认为这些发现有助于支持这样一种观点，即即使是土星的内卫星也是年轻的天体。

“我很高兴也很惊讶团队能够如此精确地估算出环的年龄，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的天文学家詹姆斯·奥多诺霍 (James O'Donoghue) 表示，他没有参与这项研究。“目前还不清楚是什么灾难性事件形成了环，但它们形成于恐龙灭绝时期这一想法是卡西尼号任务结束的重要结果。那个特定的时间段似乎是太阳系的一个繁忙时期！”

奥多诺霍补充道，新的质量数字表明，需要大约 5,000 个土星环系统才能形成月球大小的东西。然而，环内的岩石体分布如此广泛，以至于它们可以覆盖地球表面 80 倍。

“我们对土星环了解得越多，它们似乎就越脆弱和转瞬即逝，”奥多诺霍说。就在去年，科学家根据卡西尼号的数据预测，土星环将在 3 亿年后消失。木星、天王星和海王星过去可能拥有更大的环系统，而土星环系统也将以同样的方式变薄。

土星环的谜团肯定还有很多，卡西尼号的遗产还将继续增长一段时间。该团队希望利用更多任务数据来精确描述行星内部旋转的速度，以及这可能会如何影响环的演化和行为。他们还测量了土星引力的一个微小成分，其来源不明。“我们称之为土星引力的‘黑暗面’，”伊斯说。“我对这一发现感到非常困惑，”他希望弄清楚是什么原因造成的。土星环可能不是这颗气态巨星在其轨道上炫耀的唯一宝藏。