土星的光环是太阳系中最壮观的景象之一，但我们从未完全理解它们的起源故事。多亏了 NASA 的卡西尼探测器在 2017 年 9 月坠毁前收集的最后一批数据，这一情况正在迅速改变。根据周四在《科学》杂志上发表的研究结果，土星的光环比行星本身年轻得多，年轻得多——只有大约 1000 万到 1 亿年的历史，而这颗气态巨行星的年龄约为 45 亿年。在其存在的大部分时间里，土星一直是一个光秃秃的大婴儿，太阳系最近才给它加上了光环。
罗马 Sapienza 大学研究员、新研究的首席作者 Luciano Iess 表示：“旅行者号和卡西尼号的测量已经提供了线索，表明光环并非与土星同时形成。”“但现在我们有了更确凿的证据，这只能在任务的最后阶段——‘大结局’——才能获得。”
他指的是卡西尼号的最后几天——在这段时间里，这艘宇宙飞船以一次疯狂的告别结束了它对土星系统的 13 年轨道运行，在土星大气层和光环之间向行星进行了六次近距离俯冲，最终头朝前冲入大气层，收集尽可能多的数据后解体。
在最后阶段，卡西尼号足够近，可以测量土星及其光环周围的引力场。为了准备测量，Iess 和他的团队创建了详细的模型，利用当时已知的关于土星的大小和组成信息，预测引力场可能的样子。
加州大学伯克利分校的行星研究员、新研究的合著者 Burkhard Militzer 表示：“事实证明，所有那些模型都被证明是错误的。”“我们对这些结果感到非常震惊。引力场很奇怪，我们根本不理解它实际看起来会是什么样子。”土星的引力是光环所表现出的引力的 4000 万倍。
引力场测量结果出现了两项重大发现。首先，为了解释异常的引力场，赤道周围必须有巨大的流动。其次，光环质量估计（来自引力场测量）显示，光环的质量比以前认为的要小，颜色也更浅，这强烈表明其年代较新，并且光环可能比现在更重。
Militzer 说：“这是第一次通过引力测量光环质量。”“之前曾尝试过使用密度波来做到这一点，但引力测量要可靠得多、更稳健。这是我们第一次真正为土星进行这样的测量。”
从引力场数据推导出光环质量相对容易且直观，但正如 Iess 所说，从光环质量推导出光环年龄则要微妙得多。我们已经知道，陨石会随着时间的推移逐渐使光环变暗。如果我们假设光环最初是纯粹的冰，我们可以根据光环的黑暗程度来估算有多少陨石撞击了光环。将这些数据与光环质量数字结合起来，我们就可以确定光环达到目前黑暗程度所花费的时间，这有效地告诉了我们光环的年龄以及它们形成的大致时间。
新的发现并没有告诉我们光环到底是如何形成的，但研究团队认为，很可能是土星系统内某种戏剧性的、灾难性的碰撞起到了作用。Militzer 表示：“有什么东西爆炸了，形成了我们今天看到的这些海量的光环粒子。”鉴于光环如此年轻，“它不是在太阳系形成时发生的。”恰巧，光环的形成时间（1000 万至 1 亿年）与恐龙灭绝的时间（6500 万年前）是同一时期，恐龙也是因撞击而灭绝的。这些事件是否以任何方式相关，目前尚不清楚，但这些新发现表明，也许当时的太阳系正经历着某种不寻常的天体和碰撞的动荡。Iess 补充说，一些同事认为这些发现有助于支持土星内层卫星也是年轻天体的观点。
没有参与这项研究的 NASA 戈达德太空飞行中心的天文学家 James O’Donoghue 表示：“我对团队能够如此精确地估计光环年龄感到非常高兴和惊讶。”“目前还不清楚是什么灾难性事件形成了光环，但它们大约在恐龙灭绝时期形成的观点，是对卡西尼任务的深刻的结束语。那个特定时期对太阳系来说似乎是一个繁忙的时期！”
O’Donoghue 补充说，新的质量数字表明，需要大约 5000 个土星光环系统才能构成一个像月球一样大的物体。然而，光环中的岩石物体分布得如此之广，以至于它们可以覆盖地球表面 80 倍。
O’Donoghue 表示：“我们对土星光环了解得越多，它们似乎就越脆弱和短暂。”就在去年，科学家们发布了基于卡西尼数据的预测，即该行星的光环将在 3 亿年后消失。木星、天王星和海王星过去可能拥有更大的光环系统，而土星的光环系统也将以同样的方式变薄。
关于土星的光环，肯定还有更多的谜团有待揭开，而卡西尼号的遗产将在一段时间内继续增长。该团队希望利用任务的更多数据来精确描述行星内部的自转速度，以及这可能会如何影响光环的演化和行为。他们还测量了土星引力的一个微小组成部分，其来源未知。Iess 说：“我们称之为土星引力的‘黑暗面’。“我对这一发现感到非常困惑，”他希望进一步查明其原因。土星的光环可能不是这颗气态巨行星在轨道上炫耀的唯一宝藏。
