原作：Nadia Drake
翻譯：楊文忠
校譯：陳曉倩
編排：黃卓爾
後台：李子琦
科學家們對於美麗的土星環的形成時間、以至它們是如何形成的意見不一。但這些理論有一點是相同的，那就是「暴力」。
2013 年卡西尼號探測器從土星極地上方拍攝的一張圖片顯示，土星環並沒有與土星相交。在同一張圖片中，當土星環被去掉，土星就失去了一些它原本的魅力。
圖源：卡西尼號 （NASA/JPL/CalTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE/CORNELL）; 右側圖片顯示被刪掉了土星環後的土星
缺了土星環，土星看起來真的很無聊。
這不廢話嘛！就像上圖博主 Jason Kottke對 NASA 的照片所做的那樣，如果土星是一隻手的話，土星環就好比一隻手鐲。手鐲被去掉後，土星就變成了我們太陽系中最平淡無奇的星球。當然，它的兩極有一個六角形漩渦和一些涼爽的氣旋，但它的香草色表面缺乏木星水彩畫般雲帶的活力、海王星深邃鮮亮的藍色和金星令人窒息的昏天暗地。
甚至鏽跡斑斑的火星看起來也比它有趣。
值得慶幸的是，在過去 45 億年的某個時刻，宇宙對地球的這位鄰居進行了升級：宇宙在土星周圍安放了一個大而明亮的冰環系統。但科學家們對土星環何時形成，甚至如何形成都意見不一，幾十年來一直如此。事實上，作為太陽系的標誌性形象，土星環的起源仍然是一個未解之謎。
康奈爾大學天體物理學家瑪麗亞姆穆·塔米德（ Maryame El Moutamid ）說：「土星是在太陽系形成過程中的某個時刻形成的，但我們不知道這些土星環是同時形成的，還是在很久以後形成的。它如此有趣的原因不僅在於了解土星環本身，還在於了解土星系統——我們有一個土星、一個土星環系統和一個土星衛星系統，我們認為土星環和衛星之間存在著聯繫。」
這個謎團特別迷人。在大多數情況下，科學家們對我們太陽系最壯觀景象的起源有很深的了解，例如火星上有一道使科羅拉多大峽谷相形見絀的的深谷，木星有翻騰的大紅斑，月球有巨大的南部盆地。但是土星環嘛……
「土星環是獨一無二的，」美國宇航局艾姆斯研究中心的傑夫·庫齊 (Jeff Cuzzi)說。「這樣的大質量巨環絕無僅有，而且非常非常明亮，這很不尋常。所以這是一個謎。
左圖：自第一批土星畫像以來，對土星的描繪已經取得了長足的進步：先是伽利略在 1610 年看到的景象（左圖），然後是 1616 年用更先進的望遠鏡看到的景象。（世界歷史檔案館/ALAMY STOCK PHOTO 攝 ）
右圖：天文學家喬瓦尼·卡西尼 (Giovanni Cassini) 的渲染圖，發表於 1676 年。（ARCHIVIO GBB /ALAMY STOCK PHOTO 攝 ）
思考這個問題的科學家往往會分成兩個陣營。一組認為土星環一開始就存在，它們在 40 多億年前與土星一起形成，而且土星從來都不是一個無聊乏味的世界。
另一組懷疑這些環要年輕得多，是在過去幾億年內形成的。根據該理論，土星環非常年輕，如果恐龍有太空探索計劃，它們就會通過望遠鏡看到一顆沒有環的土星。如果恐龍有這麼發達的技術，或許就可以避免被一顆任性的小行星抹殺。
「這兩種情況都有很好的論據，但它們也有不足之處，」瑪麗亞姆穆·塔米德說。
儘管時間相隔數十億年，但這兩個起源故事都有一個共同點：暴力。土星環的產生需要對冰冷物體（也許是彗星，也許是衛星）進行災難級別的破壞：物體距離土星越來越近，直到土星的引力把它撕成無數冰塊。這些碎塊中有一小部分比房子還大，其他的則無限小，大多數是由明亮的、原始的水冰組成的，但土星環中有一道冰環要比其他的暗些。隨著時間的推移，這些破碎的殘餘物逐漸構成了我們今天看到的環形系統，它橫跨約 170,000 英里，但厚度卻只有約 30 英尺。
土星環圓盤
科學家按照發現順序為土星各環分配了一個字母，它們之間的縫隙和分界則以天文學家的名字命名。像潘、阿特拉斯、普羅米修斯和潘多拉這樣的小「牧羊人」衛星在明亮的環內運行，它們的軌道構成了一條條縫隙。
Matthew W. Chwastyk, NGM Staff
圖源：Sources: NASA; JPL/CalTECH; SSI
持「老環」理論的人認為，這場災難發生在土星形成的早期。（從科學理論上講，某個行蹤神秘的物體更有可能在太陽系年輕時就進入了行星的引力範圍。）其中一種說法是，巨行星並不是在我們今天看到的地方誕生的；相反，它們遷移到當前位置並在原本聚集在這裡的小星球中引發了一連串不穩定的反應，讓它們最終像天上的桌球一樣被扔的到處都是。
在太陽系初期的混亂時期，一個冰冷的天體最終在土星周圍形成一個光環並不難。「老環」理論還預測，土星的一些衛星是由破裂的環內物質形成的，這些環內物質飛散到離土星足夠遠的地方，可以自行形成團塊。因此，今天盤旋在光環邊緣附近的一些衛星是由相同的物質形成的。
「老實說，如果不採取中立態度，我認為早期形成比晚期形成更有道理，」瑪麗亞姆穆·塔米德說。「這是到目前為止我的觀點，但如果有其他人能說服我，我也很高興。」
問題是，土星冰環的顏色過於白淨，不可能有數十億年的歷史——或者至少這是「年輕環」陣營關注的一個論點。它被稱為「污染論點」，問題的答案取決於外太陽系中暗色塵埃與光環碰撞並使光環變暗的速度。簡而言之，大約40億年的綿綿不絕的宇宙雨應該會使土星環看起來像木星環一樣暗淡且不起眼，除非環很大，或者它們很年輕。2017 年，科學家們使用美國宇航局的卡西尼號探測器測量了土星環的質量，發現它並沒有足夠的物質吸收太陽系的塵埃，所以它看起來仍然和嶄新的一樣。卡西尼號還收集了有關土星系統中最終塵埃數量的數據，這一結果也支持了土星環很年輕的觀點。
然而，一個大到足以在破碎後形成光環的天體極不可能進入土星的範圍內——除非在早期太陽系仍處於混亂之時。
航海者一號於 1980 年拍攝了第一張土星照片。
加州大學聖克魯茲分校 REGENTS 攝
如果土星沒有粉碎一個闖入的物體，而是摧毀了它自己的一顆衛星，會怎樣？最近的兩個理論表明——正如西班牙畫家弗朗西斯科·德·戈雅在一幅血腥傑作中所描繪的那樣，土星實際上吞噬了它的一個孩子。
2016年提出的第一個理論表明，大約一億年前，土星系統運行至一個位置，在這個位置上，太陽的引力將其內層衛星推向同一軌道，最終將碰撞後散開的碎片形成了環固定在土星周圍。這個觀點也解釋了幾個土星衛星的表面看起來很年輕的原因，因為這起環形成期間可能摧毀一些衛星，又重新形成了衛星。
2022 年底產生的第二個理論，主要將環的形成歸因於正在慢慢遠離土星的巨型衛星土衛六。幾億年前，這顆緩緩遠離土星的土衛六與科學家稱之為「Chrysalis」的假想衛星產生了共振——也就是說，對它施加了引力影響。結果，Chrysalis被拋向土星並被撕裂成環。（這個理論也可以解釋土星奇怪的傾斜角度，因為它與海王星軌道產生了引力相互作用。）
不用說，有些人這兩種情況都不接受。但在庫齊看來，「辯論有利於科學。不能令每個人都信服，這不是一件壞事。」
即使恆星爆炸，流星划過我們的天空，我們也一貫認為宇宙是永恆不變的，但年輕的土星環挑戰了這個簡單的想法。太陽系最熟悉的景象之一——壯麗的帶環土星可能古往今來並不總是一個樣，這點令人吃驚，和我們發現參宿四恆星急劇變暗改變獵戶座天體輪廓時的情況類似。正如庫齊所說，我們在夜空中熟悉和喜愛的天體發生這樣的事情實在是匪夷所思。
然而對我來說，年輕的土星環也表明地球上的生命很幸運。人類，一種能夠製造望遠鏡的物種，竟然能在土星環這一壯麗的宇宙奇觀正在形成之際，意外經由進化產生，真是神妙之極。
牧夫新媒體編輯部
責任編輯：陳瑋菁
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來源：牧夫天文
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