我們老覺得星球啊，太空里的東西都是非常非常久遠的，反正至少得比地球上的東西遠吧——但還真不是。新研究暗示，土星的一些冰質衛(wèi)星，以及著名的土星光環(huán)，或許只是近現代才出現的。它們的誕生或許發(fā)生在區(qū)區(qū)1億年前，甚至比許多恐龍興盛的年代還要更晚。
土星光環(huán)自17世紀初以來就一直大名鼎鼎，但它到底多老了，一直沒有定論。最直接的假設是，它們非常古老，就跟土星本身一樣古老，也就是有差不多40多億年的歷史。然而，在2012年，法國天文學家發(fā)現，潮汐效應，也就是土星內部深處的流體對土星內側衛(wèi)星產生的引力相互作用，正導致后者相當迅速地盤旋移入半徑更大的軌道之中。這就意味著，考慮到這些衛(wèi)星以及光環(huán)現在的位置，它們只能是一個最近才出現的現象。
“衛(wèi)星的軌道總是在改變，這是不可避免的。”美國SETI研究所該項研究的首席研究員馬蒂查·庫克(Matija Cuk)說，“但這一事實讓我們能夠利用計算機模擬厘清土星內側衛(wèi)星的歷史。通過這項研究，我們發(fā)現它們很可能誕生于土星最近2%的歷史之中。”
新研究發(fā)現，土衛(wèi)五和所有更靠近土星的衛(wèi)星，包括土星光環(huán)在內，或許都形成于區(qū)區(qū)1億年前。更外側的衛(wèi)星(圖中并未畫出)，包括最大的土衛(wèi)六，可能與土星本身一樣古老。圖片來源：NASA/JPL 新研究發(fā)現，土衛(wèi)五和所有更靠近土星的衛(wèi)星，包括土星光環(huán)在內，或許都形成于區(qū)區(qū)1億年前。更外側的衛(wèi)星(圖中并未畫出)，包括最大的土衛(wèi)六，可能與土星本身一樣古老。圖片來源：NASA/JPL
庫克，連同美國西南研究院的盧克·多恩斯(Luke Dones)和戴維·納斯沃尼(David Nesvorny)一起，利用計算機模擬推算了土星內側冰質衛(wèi)星的動態(tài)歷史。雖然我們的月亮在自己的軌道上獨自繞著地球旋轉，但土星的許多衛(wèi)星就沒有這樣的“個人空間”了，它們不得不與其他衛(wèi)星共享軌道空間。由于潮汐作用，它們的軌道都在逐漸變大，但變化速率各不相同。這會導致一些衛(wèi)星偶爾進入所謂的軌道共振。當兩顆衛(wèi)星的軌道周期恰好構成某種簡單的比例關系，比如1:2或者2:3時，就會發(fā)生軌道共振現象。在這樣的特殊配置下，就算是引力微弱的小衛(wèi)星，也能強烈影響彼此的軌道，使得它們的軌道拉得更長，并傾斜出它們原本的軌道平面。
通過比對計算機模擬所作的預言和實際觀測到的土星衛(wèi)星軌道傾角，這些研究者能夠了解那些衛(wèi)星的軌道變大了多少。結果表明，對于最重要的那些衛(wèi)星，比如土衛(wèi)三(Tethys)、土衛(wèi)四(Dione)和土衛(wèi)五(Rhea)，它們的軌道不像先前認為的那樣經歷過顯著的改變。相對較小的軌道傾角表明，它們沒有經歷過太多軌道共振，意味著它們必定是在跟現在差不多的位置上形成的。
土衛(wèi)三上有著一條巨大的峽谷，被命名為伊薩基裂谷(Ithaca Chasma)。研究者提出，伊薩基裂谷是在數百萬年前，當土衛(wèi)三與相鄰的土衛(wèi)四發(fā)生軌道共振時，被強大的潮汐力撕扯開來的。圖片來源：NASA 土衛(wèi)三上有著一條巨大的峽谷，被命名為伊薩基裂谷(Ithaca Chasma)。研究者提出，伊薩基裂谷是在數百萬年前，當土衛(wèi)三與相鄰的土衛(wèi)四發(fā)生軌道共振時，被強大的潮汐力撕扯開來的。圖片來源：NASA
然而，它們誕生于多久以前呢？庫克及其團隊借助NASA卡西尼探測器(Cassini)獲得的成果來幫助回答了這個問題。卡西尼探測器觀察過土衛(wèi)二(Enceladus)上的冰噴泉。假設驅動這些冰噴泉的能量全部直接來源于潮汐作用，再假設土衛(wèi)二的地熱活動水平大致保持恒定，那么土星內部的潮汐就相當強烈。根據這個研究團隊的分析，這就使得土星內側的衛(wèi)星移動這一小段距離的時間，按模型的模擬，只需要大約1億年就夠了。這也就確定了土星一些主要的衛(wèi)星的形成年代——除了離土星更遠的土衛(wèi)六(Titan)和土衛(wèi)八(Iapetus)以外，其他衛(wèi)星都形成于相對較近的時期，相當于地球上的白堊紀(Cretaceous Period)，也就是恐龍興盛的時代。
“是什么導致土星的這些內側衛(wèi)星在這么近的時間上誕生？”庫克問道，“我們的最佳猜測是，土星以前也有一系列類似的衛(wèi)星，但它們的軌道被某種特殊的軌道共振破壞了，這種共振甚至涉及到土星繞著太陽所作的公轉。最終，相鄰衛(wèi)星的軌道發(fā)生交叉，這些天體發(fā)生了碰撞。正是從碰撞之后的‘瓦礫堆’中，誕生了現在的這些衛(wèi)星和光環(huán)。”
如果這一結果是正確的，土星明亮的光環(huán)出現的年代就可能比恐龍的全盛時期還要晚，我們今天能夠目睹土星光環(huán)是何等的幸運！