关于土星卫星的十大未解之谜

NASA卡西尼号宇宙飞船于2005年9月22日拍摄的这张图片显示，以狄俄涅（Dione）命名的冰质卫星土卫四漂浮于这颗巨大的行星前。
来源： NASA / 喷气推进实验室（JPL）/空间科学研究所（Space Science Institute）

关于土星的奥秘远不止其雄伟的光环，还有许多未知待我们去不断地探索，这颗行星还拥有62颗奇异的卫星。土卫六泰坦（Titan）是土星卫星中最大的一个，比月球还大。Titan表面温度极低，以其稠密、朦胧的大气层和液态甲烷海洋而闻名。土卫二恩克拉多斯（Enceladus）看起来像是一个明亮的白色冰球，却在冰冻的外壳下包裹着液态水海洋。它的南极附近的区域有持续喷射的水柱，这些射流由其表面巨大的裂沟和裂隙中喷出。土卫十八潘（Pan）是土星最内侧的一颗卫星，它的轨道位于土星光环A环中的恩克环缝内，其形状怪异独特，看起来像一个意大利方饺（ravioli）。而土卫十杰纳斯(Janus)看起来则像颗肉丸子。卡西尼号的科学家们甚至还发现了一个在土星环内旋转的天体“佩吉”（Peggy，非官方命名），它可能是一颗正在形成或解体的卫星。

虽然我们已对这些卫星的惊人之处略知一二，但关于土星卫星群以及它们能给我们提供哪些关于太阳系演化的知识，依旧还有许多悬而未决的问题。这篇文章中列举了科学家们正在努力解开的众多谜团中的十大未解之谜。

艺术家笔下的土星环和其主要的冰质卫星
来源：NASA/JPL

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1. 土星卫星的年龄有多大？

许多行星的卫星形成时间都可以追溯到40多亿年前，与太阳系其他天体形成时间相同。尤其是土星的一些较大的卫星表面上遍布的陨石坑，为证明其悠久历史提供了证据。但最近的模型则指出土星的一些卫星可能相对年轻一些，仅有1亿年甚至更短的历史。

科学家们判断土星年龄的方法之一是通过观察卫星围绕土星运行的距离。行星和其卫星之间的引力就像是一场拔河比赛，在一段非常漫长的时光中缓慢地将卫星轨道不断推离行星。（比如月球每年都在以指甲生长的速度远离地球。）最近的研究表明，如果土星的卫星和太阳系一样古老，那些靠近土星环的卫星现在应该已经被推到很远了。这一结论与布满陨石坑的卫星表面所表明的年龄相矛盾，但为现阶段探索土星系历史提供了新的思路。

卡西尼号飞船将其摄像头转向土卫一米玛斯（Mimas），并对其表面巨大的赫歇尔陨石坑（ Herschel Crater）进行监测，陨石坑本身看起来就像眼睛的虹膜，正向外凝视着太空。
来源： NASA/JPL/Space Science Institute

2. 土星的卫星都是同时形成的吗?

我们认为土星的卫星不全是同时形成的。事实上，现在仍有一些小卫星正在土星环的外边缘形成。其中一些卫星，包括最小最靠近土星的主要卫星，土卫一Mimas，可能是由构成土星环的相同物质所构成，这就意味着土卫一Mimas的年龄也可能比我们之前所想的要年轻得多。构成它的物质可能包括散裂在在土星周围的彗星和小行星的碎片。或者也可能是一些早期卫星由于碰撞形成碎片或被引力迁移而太过于接近土星，在其强大的引力作用下被撕裂。另外一种理论认为在太阳系形成后10亿年左右，行星位置发生了重排，同时也影响了周围的小天体，它们由于引力作用被抛掷的到处都是并不断发生碰撞，为构成新卫星提供了潜在的材料。

也有迹象显示，一些卫星可能是被土星“领养”的。比如表面布满“青春痘”（陨石坑）的土卫九菲比（Phoebe）可能就来自很远的地方，在某个时间点被土星引力捕获。我们之所以这么认为，是因为构成土卫九Phoebe的物质来自太阳系远端，这远远超出土星系的范围。此外，它是以反方向围绕土星运转的，即所谓的“逆行轨道”。土星还有许多处于逆行轨道上的小的外环卫星，它们的轨道相对于土星赤道有一定的倾斜角，种种迹象均表明这些可能是被捕获的天体，而不是与其他卫星一起形成的。

这张由NASA卡西尼号宇宙飞船拍摄的真实彩色快照显示，土星最大的卫星土卫六Titan的彩色球体从土星及其光环前方经过。
来源： NASA/JPL/Space Science Institute

3.为什么土星的大型卫星比木星少?

木星是一颗比土星还要大的气态巨行星，它有四颗大卫星(截至2019年，已知的79颗木星卫星中)。这四个卫星被称为“伽利略卫星”，是以17世纪初第一次发现了它们的天文学家伽利略的名字命名的。这四个卫星分别是为木卫一伊娥（Io）、木卫二欧罗巴（Europa）、木卫三盖尼米得（Ganymede）和木卫四卡利斯托（Callisto）。而土星只有一个与之体积相当的卫星，即土卫六Titan。我们不知道为什么木星的大型卫星完好无损，但土星的大部分卫星却似乎被土星的引力和碰撞撕裂成碎片。一种可能性是木星大型卫星的轨道距离木星较远，被木星引力撕碎的风险就相对较低一些。

土卫一Mimas最近才刚刚形成了环外缘(ansa)，并开始向右移动。
来源： NASA/JPL/Space Science Institute

4. 为什么有些卫星拥有液态水海洋，而另一些则却十分干旱?

卫星年龄在这里就起到作用了。通过NASA卡西尼号宇宙飞船长期的近距离观测，我们发现土卫二Enceladus和土卫六Titan表面存在液态水海洋，土卫四Dione可能存在液态水海洋。但是为什么土卫一Mimas却没有呢？它比土卫二Enceladus更接近土星，因此更容易受到这两个天体之间潮汐引力变化的影响，产生的热量足以维持其内部液态海洋的存在。行星科学家马克•内沃（Marc Neveu）在4月1日发表在《自然-天文学》上的一篇论文中表示，如果能证明土卫一Mimas是一颗相对年轻的卫星的话，就能解释它为什么这么干燥了。

他的研究表明，土卫一Mimas形成可能不到10亿年，是由土星环中的松散物质构成。在这个假设的场景中，当碎片合并成土卫一Mimas时，它已经在之前的数十亿年间逐渐失去了放射热（岩石中某些化学元素经年累月的核衰变所产生的热量)。如果没有内部的放射热，土星的引力永远无法让土卫一Mimas冰冷而坚硬的表面挤压并加热到足以将其冰融化成水、形成液态水海洋的程度。尽管如此，还是有一些证据表明土卫一Mimas上可能存在海洋。卡西尼号发现，这颗小卫星在自转时摇摆不定，这个谜团的成因或许是其不规则形状的固态内核，也可能是在其冰冷表面下存在一个波涛汹涌的海洋。

在这引人注目的景象中，我们可以看到土卫二Enceladus的间歇泉盆地，以及面对着土星的巴格达和大马士革裂缝的尽头。间歇泉的源头是土卫二Enceladus的地下液体海洋。
来源：NASA/JPL/Space Science Institute

5. 卫星上的海洋和地球海洋相似吗?

与地球上的海洋一样，土卫二Enceladus上的海洋也是咸的。通过盐度可表明，海水可能正在与卫星的岩石内核发生化学作用，增加了这片海洋对简单生物是宜居的可能性。在地球上，此类相互作用为生活在海平面之下数英里的黑暗海底的生物提供了能量和养分。土卫二Enceladus上也会发生同样的事情吗？土卫六Titan也有液态水海洋，但科学家还不知道这片海洋是否存在与海底岩床或冰层的相互作用。

2009年11月26日，卡西尼号观测到土卫三特提斯Tethys消失在土卫六Titan背后。
来源： NASA/JPL/Space Science Institute

6. 这些海洋有多少年的历史?

它们很可能已经存在了数十亿年，因为卫星形成之后，很难形成地下海洋。尽管巨大的撞击被认为是一种可能性，科学家们仍未找到一个明确的解释来说明土卫二Enceladus上的海洋最初是如何形成的。相对而言，土卫六Titan的海洋可能是40多亿年前与其卫星本身同时形成。它可能是被土卫六Titan深处的放射性衰变热熔化的结果，可能是被撞击产生的热熔化的结果，也可能是这些因素综合作用的结果。由于土卫六Titan的轨道离土星太远，可以排除引力牵引产生的热量。

从远处可以看到土卫二Enceladus迷人的南极喷流，在阳光照射下在背后，卫星本身在反射的土星光线中发出柔和的光芒。
来源： NASA/JPL/Space Science Institute

7. 海洋里有生命存在吗?

我们尚不知道土星卫星内部的海洋是否有含有维持生命的必要成分，但有一些有趣的迹象表明它们可能含有这些成分。土卫二Enceladus是NASA寻找地球以外生命的首要目标之一，因为它似乎含有三种最重要的生命组成成分：正确的化学成分(如碳或氢)、可用能源和液态水。

2015年当任务接近尾声时，NASA卡西尼号宇宙飞船穿过土卫二 Enceladus 喷发的水柱时探测到了氢分子。这有助于加强土卫二Enceladus的宜居性，因为氢是地球上热液喷口附近茁壮成长的生物的重要食物来源。

土卫六Titan只有地球的一半大小，其迷人之处不仅在于其内部的海洋，还在于其稠密而富含氮的大气层，以及复杂的碳化学成分。无论否有生命存在，土卫六Titan都是一个生命化学的优良天然实验室。

图中显示的是环内卫星土卫三十五达佛涅斯（Daphnis）当在基勒环缝（Keeler Gap）内运行时，会在环粒子之间激起“波浪”
来源：NASA/JPL/Space Science Institute

8. 卫星们会永远陪伴土星吗?

土星的主要卫星或将永远围绕这颗行星运行，但一些更小更脆弱的环状卫星可能会消失。由土星环内的松散物质产生的较年轻的小卫星更有可能发生毁灭性的碰撞，并被重力潮摧毁。

2006年3月13日，卡西尼号宇宙飞船上的窄角相机拍下了这张土星及其光环的照片，照片中土星环处于边缘位置。该照片中还出现了土卫一Mimas和土卫十Janus(位于土星环上方)，和土卫三Tethys(位于土星环下方)。
来源：NASA/JPL/Space Science Institute

9. 为什么离土星近的卫星以如此快的速度远离土星?

随着时间的推移，卫星往往会慢慢远离它们的母星，这是一种自然现象。土星内部也被其许多卫星的引力牵引着，使其离卫星更近一些。（就像月球的引力牵引地球上的海洋，产生潮汐一样。）同时土星的引力也会牵引卫星。这就像一场拔河比赛，土星迫使其卫星进入越来越宽的轨道，将它们推离土星更远。就像坐在快速旋转的旋转木马上的孩子们被推向外缘一样，土星的卫星也被逐渐推离土星。

NASA外部研究人员进行的一项分析表明，考虑到土星的一些环内卫星离土星非常近，它们向外移动的速度可能比预期的要快。科学家们将卡西尼号10年来对土星卫星轨道的测量结果与保存在摄影板上的100年前的望远镜图像进行了对比分析。他们的分析表明，这些卫星“还很年轻”，否则在土星形成后的46亿年里，它们会被推离土星更远的地方。尽管这个想法很有趣，卡西尼号的研究人员表示100年的观测时间不太可能足够长到足以辨别这些卫星轨道的变化。

那么，它们是在远离土星吗?从某种意义上来说，是的，就像地球的卫星月球一样。不过，所涉及的时间很可能比太阳系的预期寿命还要长(即数十亿年)。

土星环可能是太阳系中任何一个世界中最被认可的特征。土星环主要由大小不等的水冰颗粒组成，小如沙粒，大至如山。
来源： NASA/JPL/Space Science Institute

10. 说完卫星们，来说说土星环是怎么回事?

实际上，土星环正在消失，存立其中的小卫星们也正在消失。研究人员认为它们或许会在1亿年内消失。在重力作用下，土星环逐渐被拽入土星，形成一场由冰粒雨，冰粒大小如尘埃。

参考
https://solarsystem.nasa.gov/news/911/10-things-unsolved-mysteries-of-saturns-moons/