由科羅拉多大學博爾德分校的物理學家Sascha Kempf領導的一項新研究提供了迄今為止最有力的證據，表明土星環非常年輕–可能回答了一個讓科學家困惑了一個多世紀的問題。這項研究於5月12日發表在《科學進展》雜誌上，將土星環的年齡確定為不超過4億年。這使得土星環比土星本身年輕得多，土星的年齡大約為45億年。

土星環的條紋顏色可能來自於被困在環冰中的少量污染物。資料來源：美國宇航局/JPL/空間科學研究所

科羅拉多大學博爾德分校大氣和空間物理實驗室（LASP）副教授肯普夫說：”在某種程度上，我們已經對一個始於詹姆斯-克拉克-麥克斯韋的問題有了結論。”

研究人員通過研究一個可能看起來不尋常的主題得出了這個結論：灰塵。Kempf解釋說，微小的岩石物質顆粒幾乎不斷地衝過地球的太陽系。在某些情況下，這種沖刷會在行星體上留下一層薄薄的灰塵，包括在構成土星環的冰上。

在這項新的研究中，他和他的同事們通過研究這層塵埃積累的速度來確定土星環的日期–有點像通過用手指沿著房子的表面來判斷房子的年齡。

藝術家對美國宇航局的卡西尼號在2017年”大結局”中的描述，在這個過程中，航天器在土星和土星環之間多次俯衝，然後有目的地撞入土星的大氣層。資料來源：NASA/JPL-Caltech

“把星環想像成你家裡的地毯，”Kempf說。”如果你有一條乾淨的地毯，你只需要等待。灰塵會在你的地毯上沉澱。環的情況也是如此。”

但這是一個短暫而又漫長過程： 從2004年到2017年，該團隊使用美國宇航局晚期的卡西尼號航天器上的一種叫做宇宙塵埃分析儀的儀器來分析圍繞土星飛行的塵埃斑點。在這13年裡，研究人員僅僅收集了163個來自該行星近鄰之外的顆粒。但這已經足夠了。根據他們的計算，土星環聚集灰塵的時間可能只有幾億年。換句話說，這顆行星的星環是新的現象，它的出現（甚至有可能消失）在宇宙中相當於一眨眼的時間。

“我們知道星環的年齡，但這並沒有解決我們的任何其他問題，”Kempf說。”我們仍然不知道這些星環首先是如何形成的。”

400多年來，研究人員一直被這些看似半透明的星環所吸引。1610年，意大利天文學家伽利略首次通過望遠鏡觀察到這些特徵，儘管他不知道它們是什麼。(伽利略的原圖使星環看起來有點像水壺的把手）。在19世紀，來自蘇格蘭的科學家麥克斯韋得出結論，土星環不可能是固體，而是由許多獨立的部分組成的。

今天，科學家們知道，土星擁有七個由無數塊冰組成的星環，其中大部分不比地球上的一塊巨石大。這些冰塊的總重量約為土星的衛星米瑪斯的一半，並從該行星的表面延伸了近17.5萬英里。

在LASP設計和建造的歐羅巴Surface塵埃分析儀（SUDA）將收集塵埃顆粒，作為NASA旗艦歐羅巴Clipper任務的一部分。資料來源：Glenn Asakawa/CU Boulder

Kempf補充說，在20世紀的大部分時間裡，科學家們認為星環可能與土星同時形成。觀測結果表明，這些特徵是由大約98%的純水冰組成的，只有極少量的岩石物質，然而圖形附近幾乎不可能出現如此乾淨的東西。

卡西尼號提供了一個為土星環確定年齡的機會。該航天器於2004年首次抵達土星，並收集數據，直到它在2017年有目的地撞入該行星的大氣層。宇宙塵埃分析儀的形狀有點像一個水桶，在小顆粒呼嘯而過時將它們舀起。

LASP的工程師和科學家為美國宇航局即將到來的歐羅巴Clipper任務設計和建造了一個更複雜的塵埃分析儀，該任務計劃於2024年發射。

該小組估計，這種行星間的污垢每年對土星環的每平方英尺貢獻的灰塵將遠遠少於一克–一種輕微的灑落，但隨著時間的推移，足以增加。以前的研究也表明，土星環可能是年輕的，但沒有包括對灰塵積累的明確測量。

這些星環可能已經在消失了。在以前的研究中，美國宇航局的科學家們報告說，冰正在慢慢地降到這個星球上，並可能在另外1億年內完全消失。

這些短暫的特徵在伽利略和卡西尼號航天器能夠觀察到它們的時候就已經存在了，這就要求我們解釋這些星環最初是如何出現的。例如，一些科學家認為，土星環可能是在該行星的引力將其一顆衛星撕碎時形成的。

如果星環是短暫的、動態的，為什麼我們現在才看到它們？這真是太幸運了。