土星环作为太阳系中最为壮观的天体结构之一,由一系列同心但密度和亮度各异的小环组成,位于赤道平面,宽达 282000 公里,却极为薄,有的地方上下仅 10 米。其主要成分是水冰,让土星变得格外迷人。
其实,类似土星环这样的行星环在太阳系颇为普遍,只是都不如土星的壮观。木星、海王星和天王星都已被观测到存在行星环。而土星环之所以如此独特,一是因为行星环可能只是暂时的,会随时间落入行星,土星光环相对年轻,只有几亿年历史;二是土星的卫星土卫二地下海洋喷出的水冰是土星 E 环的物质来源。
既然行星环是暂时的,那地球是否也曾有过光环呢?火星有两颗小天然卫星火卫一和火卫二,有天文学家认为这可能是“火星环”的遗迹。行星环并非气态巨行星专属,条件允许时,岩石行星也可能拥有,地球在历史上就有过至少一次环的存在,那是在月球形成之时。如今主流理论认为,45 亿年前一颗火星大小的天体撞击地球(即忒伊亚),形成了如今的月球和地球,撞击瞬间产生的海量碎片最初可能变成了地球的光环,只是后来这些碎片或落入地球,或落入月球。
最近有研究指出,约 4.66 亿年前,地球还曾获得过一次环,这个环存在数千万年,且是地球近 5 亿年里最冷冰期的“罪魁祸首”!
行星环是如何形成的呢?天体间撞击会产生大量碎片从而可能形成行星环,但目前观测到的多数行星环并非直接撞击而成。大部分行星环位于洛希极限内,只有创神星的两个环是例外。洛希极限指的是天体自身引力与第二个天体造成的潮汐力相等时的距离,会随行星半径增加而线性增加。当两个天体靠近小于洛希极限时,较小天体可能被撕碎,碎片会演变成围绕较大天体赤道旋转的碎屑环,这就是行星环的形成原因。气态巨行星洛希极限大,易捕获天体撕碎形成光环,且赤道有最大离心力,碎片更易被甩成环。
为何说 4.66 亿年前的地球有过光环?科学家通过分析地球过去的陨石袭击来推测,当时大量陨石撞击地球,许多撞击坑在地质学上的短暂时期内形成。同一时期,在欧洲、俄罗斯和中国发现的石灰岩沉积物中含有大量来自某种陨石的碎片,且这些碎片暴露在太空辐射的时间很短。此外,还发生了高频率海啸,这是从其他杂乱沉积岩中推测出的。科学家确定了这次高频率撞击时期形成的 21 个陨石撞击坑,并分析其分布。这些陨石坑都位于当时靠近赤道的大陆上,而当时只有约 30%的土地在赤道附近。陨石撞击本应是随机事件,若彼此无关联,全部出现在赤道附近的可能性极小。所以有理由怀疑,当时一颗大型小行星与地球近距离接触时被撕碎,在赤道上空形成环,随后几千万年里,环的小行星碎片如雨般落到地球,形成陨石坑、沉积物和海啸。
或许您觉得仅凭这些判定当时有环过于仓促,不过科学家发现,若当时地球有环,能解释许多当时的谜团。若真有环,在地球上观测会非常壮观。地球的光环不会像土星环主要由水冰组成,即便如此,也会很明亮。在洛希极限内,赤道观察者能看到明亮线条从地平线一边到另一边,远离赤道的地方能看到光环在天空延伸,相当壮观。而且光环夜晚反射太阳光能力比现在的月球强,且无周期性圆缺,夜晚天空会更亮。然而,这会让地球变得更寒冷,因为它严重影响太阳辐射到达地球的量。约 4.65 亿年前,地球开始急剧降温,4.45 亿年前进入赫南特冰河世纪,成为近 5 亿年中地球最冷的时期。目前虽无更多证据表明当时地球突然降温的具体原因,但若当时有光环,就能很好地解释这次降温。