太空里都是老家伙？土星光环比恐龙还年轻

根据一样最新的研究，著名的土星光环，以及土星系统内侧的众多卫星，可能都形成于地球上的恐龙时代。图片来源：NASA/JPL

我们老觉得星球啊，太空里的东西都是非常非常久远的，反正至少得比地球上的东西元吧——但还真不是。新研究暗示，土星的一些冰质卫星，以及著名的土星光环，或许只是近现代才出现的。它们的诞生或许发生在区区1亿年前，甚至比许多恐龙兴盛的年代还要更晚。

土星光环自17世纪初以来就一直大名鼎鼎，但它到底多老了，一直没有定论。最直接的假设是，它们非常古老，就跟土星本身一样古老，也就是有差不多40多亿年的历史。然而，在2012年，法国天文学家发现，潮汐效应，也就是土星内部深处的流体对土星内侧卫星产生的引力相互作用，正导致后者相当迅速地盘旋移入半径更大的轨道之中。这就意味着，考虑到这些卫星以及光环现在的位置，它们只能是一个最近才出现的现象。

“卫星的轨道总是在改变，这是不可避免的。”美国SETI研究所该项研究的首席研究员马蒂查·库克（Matija Cuk）说，“但这一事实让我们能够利用计算机模拟厘清土星内侧卫星的历史。通过这项研究，我们发现它们很可能诞生于土星最近2%的历史之中。”

新研究发现，土卫五和所有更靠近土星的卫星，包括土星光环在内，或许都形成于区区1亿年前。更外侧的卫星（图中并未画出），包括最大的土卫六，可能与土星本身一样古老。图片来源：NASA/JPL

库克，连同美国西南研究院的卢克·多恩斯（Luke Dones）和戴维·纳斯沃尼（David Nesvorny）一起，利用计算机模拟推算了土星内侧冰质卫星的动态历史。虽然我们的月亮在自己的轨道上独自绕着地球旋转，但土星的许多卫星就没有这样的“个人空间”了，它们不得不与其他卫星共享轨道空间。由于潮汐作用，它们的轨道都在逐渐变大，但变化速率各不相同。这会导致一些卫星偶尔进入所谓的轨道共振。当两颗卫星的轨道周期恰好构成某种简单的比例关系，比如1:2或者2:3时，就会发生轨道共振现象。在这样的特殊配置下，就算是引力微弱的小卫星，也能强烈影响彼此的轨道，使得它们的轨道拉得更长，并倾斜出它们原本的轨道平面。

通过比对计算机模拟所作的预言和实际观测到的土星卫星轨道倾角，这些研究者能够了解那些卫星的轨道变大了多少。结果表明，对于最重要的那些卫星，比如土卫三（Tethys）、土卫四（Dione）和土卫五（Rhea），它们的轨道不像先前认为的那样经历过显著的改变。相对较小的轨道倾角表明，它们没有经历过太多轨道共振，意味着它们必定是在跟现在差不多的位置上形成的。

土卫三上有着一条巨大的峡谷，被命名为伊萨基裂谷（Ithaca Chasma）。研究者提出，伊萨基裂谷是在数百万年前，当土卫三与相邻的土卫四发生轨道共振时，被强大的潮汐力撕扯开来的。图片来源：NASA

然而，它们诞生于多久以前呢？库克及其团队借助NASA卡西尼探测器（Cassini）获得的成果来帮助回答了这个问题。卡西尼探测器观察过土卫二（Enceladus）上的冰喷泉。假设驱动这些冰喷泉的能量全部直接来源于潮汐作用，再假设土卫二的地热活动水平大致保持恒定，那么土星内部的潮汐就相当强烈。根据这个研究团队的分析，这就使得土星内侧的卫星移动这一小段距离的时间，按模型的模拟，只需要大约1亿年就够了。这也就确定了土星一些主要的卫星的形成年代——除了离土星更远的土卫六（Titan）和土卫八（Iapetus）以外，其他卫星都形成于相对较近的时期，相当于地球上的白垩纪（Cretaceous Period），也就是恐龙兴盛的时代。

“是什么导致土星的这些内侧卫星在这么近的时间上诞生？”库克问道，“我们的最佳猜测是，土星以前也有一系列类似的卫星，但它们的轨道被某种特殊的轨道共振破坏了，这种共振甚至涉及到土星绕着太阳所作的公转。最终，相邻卫星的轨道发生交叉，这些天体发生了碰撞。正是从碰撞之后的‘瓦砾堆’中，诞生了现在的这些卫星和光环。”

如果这一结果是正确的，土星明亮的光环出现的年代就可能比恐龙的全盛时期还要晚，我们今天能够目睹土星光环是何等的幸运！

这项研究即将发表在《天体物理期刊》（the Astrophysical Journal）上。（编辑：不启轩）