科技日报记者 唐婷
夜幕降临时，透过望远镜，你会看到一颗特别的天体，看上去像是一顶纹饰精美的“草帽”，它就是土星，美丽的“帽沿”便是大名鼎鼎的土星环。土星环是如何形成的？光环内物质有着怎样的精细特征？一直以来，无论是天文爱好者，还是专业的天文学家，都渴望能更多地揭开土星环的面纱。
对土星环进行探测，是“卡西尼”号探测器的任务之一。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认识，同时也产生了一些新的疑问。相关论文日前发表在《科学》杂志上。
诞生是个谜 土星环是个“年轻人”
长久以来，围绕土星环的形成有多种假说。其中一种认为，土星诞生之初可能就带着光环，这意味着土星环可能有着数十亿年的历史。
了解土星环的质量是解锁其年龄秘密的重要一环。此前，科学家已经弄清楚了土星环的质量与其年龄之间的关系：质量越低，环越年轻。
燃料耗尽前，“卡西尼”号在土星和土星环之间进行了 22 次俯冲，以进入土星的重力场。在那里，它可以感受到土星和环的引力。一旦科学家知道引力对“卡西尼”号的影响有多大，他们就能确定土星以及环的质量。
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认知。多年来，科学家一直倾向于相信土星主环B环的质量很大，甚至大过土卫一。
然而，“卡西尼”号的无线电科学团队测量得到的主环B环只是土卫一质量的 0.4 倍。
“这么小的质量，不可能是跟土星一起形成的。”中科院国家天文台研究员平劲松介绍，此外，“卡西尼”号携带的宇宙尘埃分析器获得的数据，同样支持土星环的年龄约在 1.5 亿—3 亿年之间，或是更加年轻这一结论。
既然不是和土星同时形成的，那土星环是如何诞生的？科学家推测，可能是一颗彗星或是小行星撞上了土星的一颗卫星，产生的碎屑留在轨道上，被持续撕裂，造就了土星环。
如果这种假说成立，那么这颗“粉身碎骨”的天体有多大？平劲松介绍，据测算，它的质量和月球差不多大小。
土星环的年龄比此前设想的要年轻得多，是“卡西尼”号带来的惊人发现之一。平劲松认为，现有的发现改写了土星环演化起源的历史，这一形成机制可能不仅适用于土星环，对于其他行星环的形成来说也可能是成立的。
土星环的“三面像” 不同结构有独特成因
明亮又宽广的土星环，延伸到土星以外辽阔的宇宙空间。从远处看，它是一个柔和、整体的光环。但是，根据探测器近距离拍回的照片显示，这个环并非整体，而是由许多小环组成。
主要的土星环，宽度从 48 公里到 30.2 万公里不等。距离土星从近到远的土星环分别按被发现的顺序命名为D、C、B、A、F、G和E环。其中，B环最宽、最亮，质量也最大。
在最后一次观测土星环时，“卡西尼”号发现了从块状到稻草状的各种纹理和图案。它所拍摄的星环特写照片展示了星环内部三种截然不同的结构——团块结构、平滑结构和条纹结构。
星环内部不同的纹理和结构如何形成的？平劲松逐一进行了分析。当一个小天体撞上土星卫星后，从动力学过程分析，撞击后的碎片会逐渐从大块往小块变化。在这个过程中，碎片逐步均匀分布的可能性较高。土星环中比较平坦光滑的部分，可能就是在这样一个过程中形成的。
碎片运动过程，会受到其他卫星的作用。并不是所有的区域都存在稳定的轨道，在一些属于共振的区域，会出现不稳定的情况。碎片停留在不稳定的区域，可能会被拽走。密度高的地方相对稳定，密度低的地方就不太稳定，这样会形成条纹状的结构。
还有一些重新汇聚出来的、尺寸比较大的土星卫星，它的轨迹和光环是在一个平面上。它对光环的影响，就像一艘快艇冲到河里的效果一样。光环在被冲击的过程中，一些地方的边缘就不那么均匀了，进而形成团块的现象。
“这是三种比较可能的状态，当然，在土星环的形成过程中，也还有其他的因素在起作用。”平劲松说道。
天然的实验室 提供研究行星形成的线索
事实上，令科学家着迷的，不仅仅是土星环本身。土星环内部物质相互作用的过程，与恒星周围原行星盘内的行星形成过程极为相似。
“因此，土星环可视作是一个天然的实验室，为科学家进一步了解行星的形成过程提供诸多线索。”平劲松说道。
众所周知，恒星在由气体和尘埃组成的巨球（原星系盘）中心形成， 剩余的物质渐渐凝聚为类似土星环的圆盘，行星则在这个圆盘中逐渐聚集而成。
如今的太阳系，已经很难找到形成之初的直接线索了。但借助对土星环的研究，或许能部分还原当时的情形。
如果说，早期岩石类的行星在宇宙中碰撞聚集形成还是一个假说的话。那么，土星环里的小卫星，与环内大量存在的多冰颗粒发生交互作用，则提供了实实在在的例子。
“起初，小天体撞击土星卫星时，它被分解成无数个小碎块。其中一些在环内运行时，相互聚拢堆积成密度不太大、体积略微大一点的天体，成为了土星的卫星。这和早期岩石类行星形成的过程非常相似。”平劲松说道。
他认为在行星形成演化的过程中，撞击和汇聚是平行的两个重要方式。碰撞让物质重新分布，汇聚让体积逐渐变大，最终形成目前所看到的情形。在 39 亿年前，甚至更早的时期，估计发生概率更高的是一边碰撞一边汇聚的情形。
随着研究的深入，土星环的面纱被逐步揭开。但关于土星环仍然还有不少待解的谜团。比如，土星环的内环和高层大气已经很接近了，那么它和高层大气之间存在什么样的物质交换作用机制？按照目前的动力学过程，土星环会存在多久？土星环里大一点的冰块是否会再次瓦解？想要回答这些问题，还有待进一步的科学研究。