關於土星衛星的十大未解之謎

NASA卡西尼號宇宙飛船於2005年9月22日拍攝的這張圖片顯示，以狄俄涅（Dione）命名的冰質衛星土衛四漂浮於這顆巨大的行星前。

來源： NASA / 噴氣推進實驗室（JPL）/空間科學研究所（Space Science Institute）

關於土星的奧秘遠不止其雄偉的光環，還有許多未知待我們去不斷地探索，這顆行星還擁有62顆奇異的衛星。土衛六泰坦（Titan）是土星衛星中最大的一個，比月球還大。Titan表面溫度極低，以其稠密、朦朧的大氣層和液態甲烷海洋而聞名。土衛二恩克拉多斯（Enceladus）看起來像是一個明亮的白色冰球，卻在冰凍的外殼下包裹著液態水海洋。它的南極附近的區域有持續噴射的水柱，這些射流由其表面巨大的裂溝和裂隙中噴出。土衛十八潘（Pan）是土星最內側的一顆衛星，它的軌道位於土星光環A環中的恩克環縫內，其形狀怪異獨特，看起來像一個義大利方餃（ravioli）。而土衛十傑納斯(Janus)看起來則像顆肉丸子。卡西尼號的科學家們甚至還發現了一個在土星環內旋轉的天體「佩吉」（Peggy，非官方命名），它可能是一顆正在形成或解體的衛星。

雖然我們已對這些衛星的驚人之處略知一二，但關於土星衛星群以及它們能給我們提供哪些關於太陽系演化的知識，依舊還有許多懸而未決的問題。這篇文章中列舉了科學家們正在努力解開的眾多謎團中的十大未解之謎。

藝術家筆下的土星環和其主要的冰質衛星

來源：NASA/JPL

1. 土星衛星的年齡有多大？

許多行星的衛星形成時間都可以追溯到40多億年前，與太陽系其他天體形成時間相同。尤其是土星的一些較大的衛星表面上遍布的隕石坑，為證明其悠久歷史提供了證據。但最近的模型則指出土星的一些衛星可能相對年輕一些，僅有1億年甚至更短的歷史。

科學家們判斷土星年齡的方法之一是通過觀察衛星圍繞土星運行的距離。行星和其衛星之間的引力就像是一場拔河比賽，在一段非常漫長的時光中緩慢地將衛星軌道不斷推離行星。（比如月球每年都在以指甲生長的速度遠離地球。）最近的研究表明，如果土星的衛星和太陽系一樣古老，那些靠近土星環的衛星現在應該已經被推到很遠了。這一結論與布滿隕石坑的衛星表面所表明的年齡相矛盾，但為現階段探索土星系歷史提供了新的思路。

卡西尼號飛船將其攝像頭轉向土衛一米瑪斯（Mimas），並對其表面巨大的赫歇爾隕石坑（ Herschel Crater）進行監測，隕石坑本身看起來就像眼睛的虹膜，正向外凝視著太空。

來源： NASA/JPL/Space Science Institute

2. 土星的衛星都是同時形成的嗎?

我們認為土星的衛星不全是同時形成的。事實上，現在仍有一些小衛星正在土星環的外邊緣形成。其中一些衛星，包括最小最靠近土星的主要衛星，土衛一Mimas，可能是由構成土星環的相同物質所構成，這就意味著土衛一Mimas的年齡也可能比我們之前所想的要年輕得多。構成它的物質可能包括散裂在在土星周圍的彗星和小行星的碎片。或者也可能是一些早期衛星由於碰撞形成碎片或被引力遷移而太過於接近土星，在其強大的引力作用下被撕裂。另外一種理論認為在太陽系形成後10億年左右，行星位置發生了重排，同時也影響了周圍的小天體，它們由於引力作用被拋擲的到處都是並不斷發生碰撞，為構成新衛星提供了潛在的材料。

也有跡象顯示，一些衛星可能是被土星「領養」的。比如表面布滿「青春痘」（隕石坑）的土衛九菲比（Phoebe）可能就來自很遠的地方，在某個時間點被土星引力捕獲。我們之所以這麼認為，是因為構成土衛九Phoebe的物質來自太陽系遠端，這遠遠超出土星系的範圍。此外，它是以反方向圍繞土星運轉的，即所謂的「逆行軌道」。土星還有許多處於逆行軌道上的小的外環衛星，它們的軌道相對於土星赤道有一定的傾斜角，種種跡象均表明這些可能是被捕獲的天體，而不是與其他衛星一起形成的。

來源： NASA/JPL/Space Science Institute

3.為什麼土星的大型衛星比木星少?

木星是一顆比土星還要大的氣態巨行星，它有四顆大衛星(截至2019年，已知的79顆木星衛星中)。這四個衛星被稱為「伽利略衛星」，是以17世紀初第一次發現了它們的天文學家伽利略的名字命名的。這四個衛星分別是為木衛一伊娥（Io）、木衛二歐羅巴（Europa）、木衛三蓋尼米得（Ganymede）和木衛四卡利斯托（Callisto）。而土星只有一個與之體積相當的衛星，即土衛六Titan。我們不知道為什麼木星的大型衛星完好無損，但土星的大部分衛星卻似乎被土星的引力和碰撞撕裂成碎片。一種可能性是木星大型衛星的軌道距離木星較遠，被木星引力撕碎的風險就相對較低一些。

土衛一Mimas最近才剛剛形成了環外緣(ansa)，並開始向右移動。

來源： NASA/JPL/Space Science Institute

4. 為什麼有些衛星擁有液態水海洋，而另一些則卻十分乾旱?

衛星年齡在這裡就起到作用了。通過NASA卡西尼號宇宙飛船長期的近距離觀測，我們發現土衛二Enceladus和土衛六Titan表面存在液態水海洋，土衛四Dione可能存在液態水海洋。但是為什麼土衛一Mimas卻沒有呢？它比土衛二Enceladus更接近土星，因此更容易受到這兩個天體之間潮汐引力變化的影響，產生的熱量足以維持其內部液態海洋的存在。行星科學家馬克?內沃（Marc Neveu）在4月1日發表在《自然-天文學》上的一篇論文中表示，如果能證明土衛一Mimas是一顆相對年輕的衛星的話，就能解釋它為什麼這麼乾燥了。

他的研究表明，土衛一Mimas形成可能不到10億年，是由土星環中的鬆散物質構成。在這個假設的場景中，當碎片合併成土衛一Mimas時，它已經在之前的數十億年間逐漸失去了放射熱（岩石中某些化學元素經年累月的核衰變所產生的熱量)。如果沒有內部的放射熱，土星的引力永遠無法讓土衛一Mimas冰冷而堅硬的表面擠壓並加熱到足以將其冰融化成水、形成液態水海洋的程度。儘管如此，還是有一些證據表明土衛一Mimas上可能存在海洋。卡西尼號發現，這顆小衛星在自轉時搖擺不定，這個謎團的成因或許是其不規則形狀的固態內核，也可能是在其冰冷表面下存在一個波濤洶湧的海洋。

在這引人注目的景象中，我們可以看到土衛二Enceladus的間歇泉盆地，以及面對著土星的巴格達和大馬士革裂縫的盡頭。間歇泉的源頭是土衛二Enceladus的地下液體海洋。

來源：NASA/JPL/Space Science Institute

5. 衛星上的海洋和地球海洋相似嗎?

與地球上的海洋一樣，土衛二Enceladus上的海洋也是鹹的。通過鹽度可表明，海水可能正在與衛星的岩石內核發生化學作用，增加了這片海洋對簡單生物是宜居的可能性。在地球上，此類相互作用為生活在海平面之下數英里的黑暗海底的生物提供了能量和養分。土衛二Enceladus上也會發生同樣的事情嗎？土衛六Titan也有液態水海洋，但科學家還不知道這片海洋是否存在與海底岩床或冰層的相互作用。

2009年11月26日，卡西尼號觀測到土衛三特提斯Tethys消失在土衛六Titan背後。

來源： NASA/JPL/Space Science Institute

6. 這些海洋有多少年的歷史?

它們很可能已經存在了數十億年，因為衛星形成之後，很難形成地下海洋。儘管巨大的撞擊被認為是一種可能性，科學家們仍未找到一個明確的解釋來說明土衛二Enceladus上的海洋最初是如何形成的。相對而言，土衛六Titan的海洋可能是40多億年前與其衛星本身同時形成。它可能是被土衛六Titan深處的放射性衰變熱熔化的結果，可能是被撞擊產生的熱熔化的結果，也可能是這些因素綜合作用的結果。由於土衛六Titan的軌道離土星太遠，可以排除引力牽引產生的熱量。

從遠處可以看到土衛二Enceladus迷人的南極噴流，在陽光照射下在背後，衛星本身在反射的土星光線中發出柔和的光芒。

來源： NASA/JPL/Space Science Institute

7. 海洋里有生命存在嗎?

我們尚不知道土星衛星內部的海洋是否有含有維持生命的必要成分，但有一些有趣的跡象表明它們可能含有這些成分。土衛二Enceladus是NASA尋找地球以外生命的首要目標之一，因為它似乎含有三種最重要的生命組成成分：正確的化學成分(如碳或氫)、可用能源和液態水。

2015年當任務接近尾聲時，NASA卡西尼號宇宙飛船穿過土衛二 Enceladus 噴發的水柱時探測到了氫分子。這有助於加強土衛二Enceladus的宜居性，因為氫是地球上熱液噴口附近茁壯成長的生物的重要食物來源。

土衛六Titan只有地球的一半大小，其迷人之處不僅在於其內部的海洋，還在於其稠密而富含氮的大氣層，以及複雜的碳化學成分。無論否有生命存在，土衛六Titan都是一個生命化學的優良天然實驗室。

圖中顯示的是環內衛星土衛三十五達佛涅斯（Daphnis）當在基勒環縫（Keeler Gap）內運行時，會在環粒子之間激起「波浪」

來源：NASA/JPL/Space Science Institute

8. 衛星們會永遠陪伴土星嗎?

土星的主要衛星或將永遠圍繞這顆行星運行，但一些更小更脆弱的環狀衛星可能會消失。由土星環內的鬆散物質產生的較年輕的小衛星更有可能發生毀滅性的碰撞，並被重力潮摧毀。

2006年3月13日，卡西尼號宇宙飛船上的窄角相機拍下了這張土星及其光環的照片，照片中土星環處於邊緣位置。該照片中還出現了土衛一Mimas和土衛十Janus(位於土星環上方)，和土衛三Tethys(位於土星環下方)。

來源：NASA/JPL/Space Science Institute

9. 為什麼離土星近的衛星以如此快的速度遠離土星?

隨著時間的推移，衛星往往會慢慢遠離它們的母星，這是一種自然現象。土星內部也被其許多衛星的引力牽引著，使其離衛星更近一些。（就像月球的引力牽引地球上的海洋，產生潮汐一樣。）同時土星的引力也會牽引衛星。這就像一場拔河比賽，土星迫使其衛星進入越來越寬的軌道，將它們推離土星更遠。就像坐在快速旋轉的旋轉木馬上的孩子們被推向外緣一樣，土星的衛星也被逐漸推離土星。

NASA外部研究人員進行的一項分析表明，考慮到土星的一些環內衛星離土星非常近，它們向外移動的速度可能比預期的要快。科學家們將卡西尼號10年來對土星衛星軌道的測量結果與保存在攝影板上的100年前的望遠鏡圖像進行了對比分析。他們的分析表明，這些衛星「還很年輕」，否則在土星形成後的46億年里，它們會被推離土星更遠的地方。儘管這個想法很有趣，卡西尼號的研究人員表示100年的觀測時間不太可能足夠長到足以辨別這些衛星軌道的變化。

那麼，它們是在遠離土星嗎?從某種意義上來說，是的，就像地球的衛星月球一樣。不過，所涉及的時間很可能比太陽系的預期壽命還要長(即數十億年)。

土星環可能是太陽系中任何一個世界中最被認可的特徵。土星環主要由大小不等的水冰顆粒組成，小如沙粒，大至如山。

來源： NASA/JPL/Space Science Institute

10. 說完衛星們，來說說土星環是怎麼回事?

實際上，土星環正在消失，存立其中的小衛星們也正在消失。研究人員認為它們或許會在1億年內消失。在重力作用下，土星環逐漸被拽入土星，形成一場由冰粒雨，冰粒大小如塵埃。

參考

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

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