土星光环是怎么形成的（土星是如何获得光环的？）

没有光环，土星看起来真的很普通。去掉土星环，这颗行星就是我们太阳系中最明亮的球体。当然，还有一个六边形的漩涡和一些凉爽的气旋出现在土星的两极，但它的球面面却没有木星的水彩画带、海王星的辛辣蓝色和金星的令人窒息的阴暗。甚至生锈的火星看起来也更有趣。幸运的是，在过去45亿年的某个时刻，宇宙给土星带来了升级：它在土星周围放置了一个巨大、明亮、冰冷的环形系统。但科学家们对土星环是什么时候形成的，或者土星环是怎么形成的都不一致。几十年来一直如此。事实证明，土星标志性特征之一的起源仍然是一个未解之谜。

这是卡西尼号探测器在2013年拍摄的一张照片，去掉了土星环的土星看起来很普通

康奈尔大学天体物理学家Maryame El Moutamid表示：“这颗行星是在太阳系形成的某个时刻形成的，我们不知道这些环是在同一时间形成的，还是在很久之后形成的。”。“之所以如此有趣，不仅是为了了解这一点，而且为了了解土星系统，我们有一个行星、一个环系统和一个卫星系统，我们认为环和卫星之间有联系。”这个谜非常迷人。在大多数情况下，科学家们很好地掌握了太阳系最壮观景象的起源：火星上雕刻的一道裂缝会使大峡谷、木星的大红斑、月球巨大的南部盆地相形见绌。但土星环…“土星环是独一无二的，”美国宇航局艾姆斯研究中心的杰夫·库齐说。“它们是唯一的大而巨大的戒指，而且非常非常明亮，这是不寻常的。所以这一直是一个谜。”

这是伽利略在1610年和1616年分别绘制的土星环

天文学家乔凡尼.卡西尼在1676年绘制的土星图

思考这个问题的科学家倾向于分成两个阵营。第一组科学家认为，土星环是40多亿年前与行星一起形成的原始环，土星从来都不是一个枯燥乏味的世界。另一组怀疑这些戒指更年轻，是在过去的数亿年内形成的。根据这一理论，土星环非常年轻，如果恐龙有太空计划的话，他们可以通过望远镜看到一个没有环的土星。

行星在可预测的轨道上移动，星座按计划升降，时间的流逝可以通过移动的月面来标记。这是令人欣慰的，因为这意味着，像我们这样的小生物在无限的宇宙海洋中漂浮在一个青翠的岛屿上，已经获得了某种程度的天体认知。我们已经破译了行星运动的和谐；我们可以精确地计算出像正午黑化的太阳一样神奇的东西的外观；在某种程度上，我们知道一切是如何形成的（除了我们自己）。在一个无底洞的宇宙中，我们执着于我们所知道的。NASA的杰夫·库齐（Jeff Cuzzi）说：“你的大脑只想让事情变得稳定和永久。”。“天体在我们眼前应该不会改变。但当我们在土星时，卡西尼号探测器向我们展示了一件事 … 我们知道在所有时间尺度上都会出现一些东西。这是一个对我们有利的视角转变。” 

“这两种情况都有很好的论据，但也有弱点，”El Moutamid说。尽管在时间上相隔数十亿年，但这两个起源故事都有一个共同点：暴力。制造这些环需要对一个冰冷的物体——也许是彗星，或者是月球——进行灾难性的破坏。不知怎么的，那个物体离土星太近了，行星的引力把它撕成了无数的冰碎片。这些碎片中有一小部分比房子大；其他的都很小。大多数都是由明亮、纯净的水冰制成的，但环中的一条带有点暗。随着时间的推移，这些残垣断壁的残余物组成了我们今天所看到的环形系统，它绵延约17万英里，但只有约30英尺厚。

环的圆盘不同的环按照发现的顺序被分配了一个字母，而它们之间的空隙和间隔则以天文学家的名字命名。微小的“牧羊人”卫星，如在明亮的环内运行的潘、阿特拉斯、普罗米修斯和潘多拉，维持着这些断裂。

土星环的形成是一场灾难，这场灾难发生在土星早期。（从科学上讲，在太阳系年轻时期，任性的物体更可能进入行星的引力区。）这个故事的一个版本提出，这些巨型行星并不是在我们今天看到的地方诞生的；相反，它们迁移到了现在的位置，并在较小的物体中引发了一连串的不稳定，最终像天上的乒乓球一样被抛到了各处。在太阳系初期的混乱时期，一个冰冷的天体最终围绕土星形成一个环并不困难。旧的环理论还预测，土星的一些卫星是由破裂的环物质形成的，这些环物质远离行星足够远，可以自行形成团块。因此，今天盘旋在环边缘附近的一些卫星是由相同的材料制成的。

问题是，这些冰环珍珠般的白色，不可能有几十亿年的历史，或者至少这是“年轻环”阵营关注的一个论点。这个问题被称为污染论点，它取决于外太阳系的暗尘埃碰撞并使环的辉煌变暗的速度。简单地说，大约40亿年的单调宇宙雨应该会让土星环看起来像木星一样昏暗和不起眼，除非土星环是巨大的，或者它们是年轻的。2017年，科学家们使用美国宇航局的卡西尼号飞船测量了土星环的质量，发现没有足够的物质来吸收太阳系年龄的尘埃，看起来仍然如此原始。卡西尼号还收集了土星系统中尘埃数量的数据，这一结果也支持了土星环年轻的观点。然而，除了在早期太阳系的混乱中，一个大到足以碎裂成环的物体很难到达土星。

1980年，旅行者一号拍摄到了第一张土星照片

如果土星摧毁了它自己的一颗卫星，而不是粉碎一个交错的物体，那会怎么样？最近的两个理论表明，正如西班牙画家弗朗西斯科·德·戈雅在一部血腥的杰作《土星》中所描绘的那样，事实上，土星吞噬了它的一个孩子。2016年提出的第一个理论表明，大约1亿年前，土星系统滑入了一个位置，太阳的引力将其内部卫星推到碰撞轨道上，最终在行星周围固定了一圈碎片。这一想法也解释了几个土星卫星表面看似年轻的原因，因为环形成事件会摧毁一些卫星并导致它们重新形成。从2022年末开始的第二个理论主要是将土星环归咎于土星的巨型卫星土卫六，而土卫六正慢慢地悄悄离开自己的家园。两亿年前，土卫六的缓慢运动使其与之产生共鸣，也就是说，它对科学家称为“蛹”的假想月球施加了引力影响。结果，Chrysalis被抛向土星并撕成一个环。（这一理论也可以解释土星倾斜的奇怪角度，即与海王星轨道的引力相互作用。）

不用说，有些人对这两种情况都不买账。但在库齐看来，“辩论对科学有益。并非所有人都相信这不是坏事。”年轻的土星环挑战了我们对宇宙永恒的舒适观念，即使是在恒星爆炸和流星划过我们的天空时。太阳系中最熟悉的景象之一——壮丽的环状土星——可能并不总是如此，这一点令人震惊，就像参宿四恒星突然变暗并改变了猎户座的天体轮廓一样。正如库齐所说，我们在夜空中认识和喜爱的物体不应该这样做。然而对我来说，年轻的土星环也表明地球上的生命是幸运的。巧合的是，进化造就了我们——一个能够在与土星壮丽的宇宙景象相交的时代制造望远镜的物种。