艺术家的概念，美国宇航局的卡西尼轨道飞行器穿过土星环平面。航天器在这些演习中进行的测量提供了迄今为止对环系统年龄的最佳估计。在我们太阳系的所有奇观中，有一处堪称异类和超凡脱俗之物:那就是土星的宏伟光环，它在这颗巨大行星上闪耀着金灿灿的光芒。
土星环从一个尖端到另一个尖端绵延近30万公里，包含无数大小不等的冰粒子，从“微小的”到“可移动的家”。但它们不仅仅是装饰，还是行星科学中最经久不衰的谜题之一。简而言之，专家们无法就这些光环是如何形成的，甚至它们的年龄达成一致。土星的光环是太阳系的原始特征吗？大约45亿年前，混沌和碰撞塑造了我们今天所看到的大部分东西，而土星的手镯正是在那时出现的。或者它们是最近才出现的？
这个问题的答案不仅关系到致力于理解行星环和重建太阳系历史的科学家;这可能会给天体生物学家们带来令人眼花缭乱的启示，他们想知道外星生命是否会在土卫二冰冷的外壳下茁壮成长。土卫二是土星的一颗内部小卫星，被认为是寻找地球以外生物的最佳地点之一。
虽然不是决定性的，但在NASA的卡西尼号宇宙飞船的最后几年里，有最好的数据可以解决这个争论。卡西尼号飞船在年到年间环绕土星运行。根据卡西尼号的测量戒指的质量和亮度，许多科学家现在相信他们是非常年轻的，有突然的存在可能早在1亿年前，当恐龙仍然在地球上意味着，透过一些蜥蜴的望远镜，土星可能是奇怪的是失去戒指。
但并非所有人都信服；一些批评人士说，在现在和不久前相对平静的太阳系中制造如此巨大的光环实在太难了。
“我不反对年轻的光环。我只是认为，没有人找到一种非常可信的方法来制造它们。”“这需要一个不太可能发生的事件。”
争论持续了几十年
今天关于土星环起源的争论可以追溯到几十年前，主要是由于星际旅行者1号和旅行者2号任务对该系统的第一次近距离侦察。这些观测结果暗示，这些光环出奇地轻，在太阳系数十亿年的历史中，它们缺乏足够的分量来保持其珍珠般的光芒。这些光环看起来非常年轻，但是理论学家们却很难设计出一种机制来解释它们相对较晚的形成。
年8月，美国宇航局的卡西尼号轨道飞行器拍摄到土星光环。这些环大部分是由明亮的白色水冰构成的，它们显示出微妙的暗色和颜色，可以用来帮助估计它们的年龄。然后是卡西尼。在任务接近尾声时，飞船在土星云顶和环系统最内缘之间进行了二十多次大胆的俯冲。卡西尼号在穿针引线时，仔细测量了光环的质量，得出了一个与旅行者号相似的数字:大约是土卫一质量的一半。土卫二是一颗冰冷的小卫星，与《星球大战》中的“死星”空间站惊人地相似。
但这只是故事的一部分。在执行任务的早些时候，探测器还擦亮了光环的边缘，收集了灰尘和其他粒子，以帮助估计这些结构从周围吸收了多少黑暗碎片——这是确定它们年龄的另一项关键测量。正如卡西尼号对土星附近尘埃的测量一样，卡西尼号对土星质量的测量也进一步暗示了年轻的光环:尽管不断被太阳系外昏暗物体留下的黑色碎片所覆盖，土星的水冰环仍然是明亮的白色。按照这种逻辑，年轮越老，颜色就应该越深——除非它们的质量足够大，能够在数十亿年的时间里以某种方式积累暗尘，同时仍然保持年轻的光芒。
西南研究所的罗宾·卡纳普将这一证据称为年轻年轮的“污染论据”。“光环明亮的事实在某种程度上告诉我们，它们没有受到有效污染，或者至少我们没有看到证据，”她说。
更多的观察表明，这些光环不仅吸收物质，而且还在大量流失，不断地向大气层中喷射出大量的冰粒。事实上，有一项估计表明，这样的流星雨可能在3亿年内耗尽土星环，看来土星最显著的特征可能是惊人的短暂。
亚利桑那大学的ErikAsphaug研究土星环和它的许多卫星之间的相互作用，他说:“在我看来，它们可能存在45亿年的想法是无法解释的。”
年轻的光环
即便如此，仍有许多令人信服的论据反对土星年轻的光环。事实证明，最近制造如此庞大的环形系统并非易事；机会对它不利。当然，这颗行星有可能将一颗经过的彗星全部或部分粉碎，将碎片碎片散落成环状;或者，是的，可能是一个闯入的物体撞上了土星的一颗卫星，从溅出的、粉碎的月球碎片中形成了光环。但对任何一个诚实的理论家来说，这种按顺序设计的场景都带有特殊的恳求意味。
“我们确实有一个相当好的想法，一个关于太阳系外有多少彗星在飞行的普查，但是你没有足够的彗星来让这种情况成为可能，”Dones说。“在过去的数亿年里，这种可能性可能只有百分之几。”
但是假设没有彗星参与其中—光环的母体完全来自土星系统内部而不是外部。在研究这颗行星近距离卫星的奇怪轨道时，SETI研究所的Matijauk和他的同事们发现了一些令人惊讶的事情。在追溯这些卫星轨道的计算机模型中，大约在1亿年前，一切都有点偏离了轨道，这些卫星被推到了如今根本无法观测到的轨道上。
“它们的轨道确实比我们所观察到的要远离土星赤道平面，”uk说。“这意味着我们所模拟的这段历史从未发生过，而现在的卫星肯定比这段历史还要年轻。”
换句话说，早期的卫星系统一定是被重新排列成我们今天看到的这个系统。
年7月，卡西尼号拍摄了土星环和卫星的部分照片。从左到右，在这幅图中可以看到五颗卫星：土卫二、潘多拉(在图中央附近的薄环边缘)、土卫二、土卫四和土卫五。起初，还不清楚是什么引起了这种重新排列，但后来的研究指出了一个意想不到的罪魁祸首：太阳。即使是在遥远的地方，太阳的引力也能扰乱行星的运动——更重要的是，对这个故事来说，它们的卫星也是如此。英国和他的同事们发现，土星的轨道有可能已经接近一个点，在这个点上，太阳微弱的引力作用可能会如此轻微地推动一个巨大的内卫星走上一条不同的轨道，导致与兄弟姐妹的碰撞。
“然后你会形成一个比现在大10倍的环，其中一些会膨胀并形成新月，”他说。
这个场景的一个混淆的推论是，土星的现有内部卫星会，土卫一和任何身体轨道接近或接近地球比月球大瑞亚也会约1亿岁。然而，这一设想与基于计算内部卫星表面陨石坑的年龄估算形成了鲜明的对比。此外，年轻的土卫二可能会给天体生物学家带来重大问题，他们希望月球的全球地下海洋已经存在了足够长的时间，足以让生命在那里进化。
“我不认为人们喜欢听到这些，”uk说。
坎纳普和其他人表示，虽然英国的假设是可信的，但它未能解释月球和月球相撞产生的物质如何形成一个环。要做到这一点，碰撞的碎片必须离土星足够近，以保持土星的引力使其分散，而不是分布在卫星形成和生活的较远区域。
“如何从这种碰撞中获得物质回到环所在的低轨道，如何使这些物质变成冰?””Canup问道。
原始的污染呢
事实上，更老的戒指更容易制作。数十亿年以前，当行星稳定到它们现在的位置时，它们在太阳系中发射出了更小的天体，就像那些目标不稳定、咖啡因过量的台球运动员一样。因此，卡纳普说，最简洁的解释是，一些古老的灾难装饰了之前没有戒指的世界，科学家需要重新审视他们的污染论点，指出年轻的戒指。
如果尘埃落在光环上的速度随时间而变化，或者关于尘埃如何使光环变暗的基本假设是错误的，那么光环就有可能是原始的——尽管有着异常明亮的光泽。
“很明显，下雪的时候是美丽而明亮的，而且不需要太多的泥土就能让雪看起来很黑，”道恩斯说。但是，他指出，尘埃和冰环粒子之间的高速撞击可能并没有像科学家们所猜测的那样给环上色，也许沉积的阴影比预期的要少。
Canup说，对于古老的环的故事来说，更有说服力的是对一次古老的形成环的碰撞的模拟。如果碎片的初始质量大大高于当前环中碎片的质量，它将迅速扩散并消散。其中一些会落入土星，一些会逃逸到轨道上，其余的会落在卫星和光环上。奇怪的是，她说，无论你开始时的质量是土卫一的1倍还是10倍，在数十亿年的时间里，基本的轨道动力学表明，它最终的质量几乎和我们今天看到的物质一样。
卡纳普说:“如果这些光环碰撞并扩散了40亿年，那么它们的质量恰好与我们预期的一样。”当卡西尼号的观测同时支持旧环和新环时，尽管方式不同，要找到最终的答案是很棘手的。
她说:“当你有独立的预测或解释，结果彼此不一致时，事情就变得有趣了。”
卡西尼号于年3月捕捉到这张土星光环的侧面图，它还包括三颗卫星:土卫一(顶部)、土卫一(上方)和特提斯(下方)。任何对这颗行星光环形成的解释都必须解释它神秘的卫星。一环统治所有
我们曲折的努力来辨别土星的真相还远远没有完成。尽管我们还不知道它是如何在行星上形成光环的。
他说:“我认为土星系统正处在一个级联的中央，一个混乱的级联。在我看来，这一切还没有结束。
事实上，整个土星系统是一个谜。这颗行星的光环不仅令人费解，而且其庞大多样的卫星群也难以解释。从土卫八(Iapetus)，一颗双色的卫星，由于赤道山脊和扁平化的两极而酷似胡桃木;到土卫六(Titan)，一颗朦胧的巨型卫星，有着含油的湖泊和外星化学物质;因此，任何声称能解释这些光环的故事，在某种程度上，也必须解释这些和其他古怪的现象。
“我看到了很多不可能的地质现象。我看到一颗行星应该看起来像木卫四，但实际上看起来像泰坦。我看到的卫星不应该像土卫二和土卫二那样存在，它们有严重的陨石坑历史——这是否意味着它们已经老了，我们不知道。然后你看到土卫二像火箭一样爆炸，它是太阳系中最可靠的喷发体，这对我这个地质学家来说毫无意义。”“土卫二比土卫二受到更多的潮汐加热，它已经死了!这些都说不通!”
土星之谜的答案也许就在行星动力学领域，在那里引力相互作用的模拟重现了我们今天所观察到的过去(和未来)。或者答案可能依赖于实验室对暗尘和冰粒子之间高速碰撞的研究，以确定尘埃如何给冰染色。这可能意味着要重新研究彗星与土星相遇的可能性。或者，它可能需要对土星内部卫星的随行人员的陨石坑表面进行更详细的分析，以便更好地了解它们的真实年龄，或许还需要另一艘被派往土星附近漫游的宇宙飞船。
“那种认为环是古老的、不断被污染物质撞击的古老观点，和我们今天看到的一样吗?”这种想法行不通，”科罗拉多大学博尔德分校的拉里埃斯波西托表示。“但是，最近形成年轮的可能机制是什么呢?”现有的理论都不令人满意。”
