土星环的起源

土星环是由一个被冰覆盖的卫星的化石碎片组成的。大约45亿年前土星刚刚形成后不久，这颗卫星的岩石核便撞上了它。

一个长达数世纪的天文学秘密也许终于揭晓了。一位科学家声称她弄清了土星特有的环是怎样形成的。这个激动人心的研究过程或许能帮助人们揭开太阳系的其他秘密。

自17世纪中叶被发现以来，土星环一直是个令科学家迷惑不解的现象。特别是，没有一种有关土星环起源的假说能够解释这些尺寸从冰雹块到小石子不等的土星环颗粒，平均含冰量为何会达到90%~95%。正如一些天文学家提出的那样，如果一个卫星在土星轨道上发生了碎裂，土星环的成分应该是冰和岩石各占一半的。在离太阳同等距离的卫星中，大部分的卫星都是这种组成配比的。

这项新的理论是科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星学家Robin Canup发起的。这篇在线发表在12月12日的《自然》（Nature）杂志上的论文，解释了土星环成分富含冰的原因，以及土星的一些小型卫星的奇特属性。

Canup通过详尽的计算机模拟，揭示了土星环暴力的起源。在太阳系诞生的过程中，45亿多年前土星凝结成行星的时候，围绕它旋转的气态圆盘里有几个泰坦星那么大的卫星存在。泰坦星是土星现存最大的卫星，其体积大约比地球的月亮大50%。但由于与气体之间的重力交互作用，这些卫星的轨道开始收缩，一个接一个地陷入了死亡的漩涡，并撞上了土星。

在每颗卫星撞上土星前，土星引力引起的巨大潮汐力会不断地拉伸和压缩卫星，并剥去卫星上的冰。后来跟上来的卫星会捕获这些冰，但由于受到拉伸和压缩作用，最终也会失去它们的冰并撞上土星。因此Canup认为，今天土星环系统里的化石碎片，应该来自最后一颗葬身土星巨大重力的卫星。当时那颗卫星基本上是一个巨大的冰球，还有一个岩石质地的内核。当大块大块的富冰外壳脱落后，卫星的岩石核就消失在土星的云层当中了。

最后一颗陨落卫星的碎片，每一块最初的直径在1~50千米不等，它们共同形成了一个约为现在1000倍大的冰态环形系统。在接下来的45亿年里，这些大冰块之间发生了无数次碰撞，形成了许多小的颗粒环绕着土星。而现在土星环系统里少量的岩石材料，则可能是带冰的土星环颗粒和掠过的小行星以及彗星发生碰撞后的碎片，这些小行星和彗星都是被土星巨大的重力场引过来的，Canup说。

这项新的假说还解释了围绕今天紧靠土星环边缘外旋转的卫星是怎样形成的。随着时间的推移，土星环不断扩大，带冰颗粒离土星的距离越来越远，最终到了一定距离，它们相互之间的引力作用大到了足以抵抗倾向于将它们分离的土星潮汐力。根据正在土星执行任务的“卡西尼”号宇宙飞船发回的数据，这种潮汐作用至今仍在发生。Canup说，这一结果也很好地解释了为什么特提斯星几乎是纯冰。

美国康奈尔大学的行星学家Joseph Burns说：“这项工作令人印象深刻。”这项工作要比先前的理论更为全面，并与“卡西尼”号的观测相一致，“这项研究给人们讲了一个有趣而且可信的故事”。

康纳尔大学另一名行星学家Matthew Hedman则表示这项新的研究“提供了令人信服的解说，这是第一个关于土星环形成的合乎情理的解释”。

EurekAlert!