土星的“草帽”实际上隐藏了行星形成的秘密

夜幕降临时，通过望远镜，你会看到一个特殊的天体，它看起来像一顶装饰精美的“草帽”。这是土星，美丽的“边缘”是著名的土星环。土星环是如何形成的？光环中物质的细微特征是什么？一直以来，天文学家和专业天文学家都渴望揭开土星环的面纱。

探测土星环是卡西尼号的任务之一。通过分析卡西尼号任务结束前传回的数据，科学家团队对土星环有了新的理解，同时也有了一些新的问题。相关论文最近发表在杂志《科学》上。

诞生是个谜 土星环是个“年轻人”

长期以来，关于土星环的形成有许多假说。其中一个人认为土星可能在其诞生之初就有光环，这意味着土星的光环可能有数十亿年的历史。

了解土星环的质量是解开其年龄秘密的重要部分。此前，科学家已经明确了土星环的质量和它们的年龄之间的关系：质量越低，土星环越年轻。

在燃料耗尽之前，卡西尼号在土星和土星环之间进行了22次俯冲，进入土星的重力场。在那里，它可以感受到土星及其光环的重力。一旦科学家知道引力对卡西尼号有多大影响，他们就能确定土星及其光环的质量。

通过分析卡西尼号传回的数据，科学家对土星环的质量有了新的理解。多年来，科学家们一直倾向于相信土星主环b环的质量非常大，甚至比土卫六还要大。

然而，卡西尼号的无线电科学小组测量出主环b的质量只有土卫六的0.4倍。

"如此小的质量不可能是由土星形成的."此外，中国科学院国家天文台的研究员平劲松说，卡西尼号携带的宇宙尘埃分析仪的数据也支持土星环年龄在1.5亿到3亿年或更小的结论。

既然它不是与土星同时形成的，那么土星环是如何形成的呢？科学家推测，一颗彗星或小行星可能撞上了土星的一个卫星，留下了轨道碎片并被撕裂，形成了土星环。

如果这个假设成立，这个“粉碎”的天体有多大？据估计，它的质量大约和月球一样。

土星环比以前认为的要年轻得多，是卡西尼号惊人的发现之一。平劲松认为，现有的发现改写了土星环演化和起源的历史，这种形成机制可能不仅适用于土星环，也可能适用于其他行星环的形成。

土星环的“三面像” 不同结构有独特成因

明亮宽阔的土星环延伸到土星以外的广阔空间。从远处看，它是一个柔和的整体光环。然而，根据探测器拍摄的特写照片，这个环不是一个整体，而是由许多小环组成。

土星的主环宽度从48公里到302，000公里不等。土星环从近到远按照发现的顺序分别命名为D、C、B、A、F、G和E环。其中，b环最宽，最亮，质量最大。

在对土星环的最后一次观测中，卡西尼号发现了各种各样的纹理和图案，从巨大到稻草都有。其环的特写照片显示环内有三种不同的结构：——块状结构、光滑结构和条纹结构。

不同的纹理和结构是如何在星环中形成的？平劲松逐一分析了它们。当一个小天体与土星的卫星碰撞时，从动力学过程分析，碰撞后的碎片会逐渐从大碎片变成小碎片。在这个过程中，碎片更有可能一步一步均匀分布。土星环相对平坦和光滑的部分可能就是在这样的过程中形成的。

碎片移动过程将受到其他卫星的影响。不是所有的区域都有稳定的轨道，不稳定会发生在一些属于共振的区域。碎片停留在不稳定的区域，可能会被拖走。密度高的地方相对稳定，而密度低的地方就不那么稳定，从而形成一个条状结构。

还有一些相对较大的土星卫星已经重组，它们的轨道和光环在同一平面上。它对光环的影响就像快艇冲进河里一样。在受到冲击的过程中，有些地方的边缘不太均匀，从而形成块状。

“这是三种可能的状态。当然，土星环的形成还有其他因素在起作用。”平劲松说。

天然的实验室 提供研究行星形成的线索

事实上，吸引科学家的不仅仅是土星环。土星环中物质相互作用的过程非常类似于恒星周围原始行星盘中行星的形成。

因此，土星环可以被视为一个自然实验室，为科学家进一步了解行星的形成过程提供了许多线索平劲松说。

众所周知，恒星形成于由气体和尘埃组成的巨大球体(最初的星系盘)的中心。剩余的物质逐渐凝结成一个类似土星环的圆盘，行星逐渐聚集在这个圆盘中。

今天的太阳系，在其形成之初很难找到直接的线索。但是在土星环研究的帮助下，有可能部分恢复当时的状况。

如果早期岩石行星在宇宙中碰撞形成的假设仍然成立。然后，土星环中的小卫星和环中丰富的冰粒之间的相互作用提供了一个真实的例子。

“起初，当一个小天体撞击土星的卫星时，它被分解成无数小碎片。其中一些在环中移动时，聚集在一起形成密度较小、体积稍大的物体，成为土星的卫星。这与早期岩石行星的形成过程非常相似。”平劲松说。

他认为，在行星的形成和演化过程中，碰撞和会聚是两种重要的平行方式。碰撞使物质重新分布，并且会聚逐渐增加体积，最终形成现在看到的情况。在39亿年前，甚至更早，据估计发生碰撞和会聚的可能性更高。

随着研究的深入，土星环的面纱已经逐渐揭开。但是土星环仍有许多未解之谜。例如，土星环的内环已经非常接近高层大气，那么土星环和高层大气之间的物质交换机制是什么？根据目前的动态过程，土星环会存在多久？土星环中较大的冰会再次碎裂吗？为了回答这些问题，需要进一步的科学研究。