多年前，一直追溯到年，人类第一次看到了行星环。伽利略·伽利莱（GalileoGalilei）通过他的原始望远镜观察土星，注意到它的行星盘两侧都有突起：他把这个特征比作它周围的“耳朵”。到17世纪中叶，克里斯蒂安·惠更斯（ChristiaanHuygens）等其他天文学家走得更远，并注意到将这些突起与行星本身分开的间隙：土星被一个巨大的环包围。从那以后，我们在这个环系统中发现了间隙、卫星和卫星，而且，土星并不是唯一拥有它们的世界。

我们现在知道，我们太阳系的所有气态巨行星世界都有环：木星、天王星和海王星都有环，但它们远不如土星环重要和巨大。我们还了解到，土星环正在蒸发，再过5千万到2亿年，土星环可能不会比木星更突出。此外，至少有两个外太阳系天体-半人马凯龙和柯伊伯带天体Quaoar-都拥有它们，并且几颗已知的系外行星显示出环的潜在证据。

但是是什么导致了环的存在;他们从哪里来？事实证明，与已经存在的卫星相撞形式的宇宙暴力可能是所有这些背后的解释。原因如下。

在土星环内，可以发现许多小卫星和小卫星，如达芙妮。这些物体很可能是由堆积的粒子产生的，然后被碰撞和潮汐力摧毁。它们均匀的组成和腐烂的性质表明，它们是最近才诞生的，一种长期的理论认为，一个更大的、被摧毁的月球使它们的起源少则几十年，多则数亿年前。

(图片来源：NASA/JPL-加州理工学院/空间科学研究所）

当土星环首次被发现时，以及此后的许多世纪里，天文学家合理地假设，我们现在在这个特定的时刻观察它们并没有什么特别之处。至少在人类的时间尺度上，这些环似乎是静态的，这意味着它们已经存在了很长时间：也许和太阳系本身一样长。

然而，如果我们从现代天文学和天体物理学的角度来看待这个问题，这不再是土星环的主要解释。（虽然，重要的是，它并没有被完全排除。相反，大多数科学家现在倾向于一种非常不同的情景：土星的主环是最近形成的，在过去~2亿年，甚至可能只是几千万年前，由一次暴力事件摧毁了它先前存在的卫星之一。

有许多强有力的证据支持土星主环的这个特殊起源故事，如果我们希望了解我们目前所知道的其他环状世界，那么通过它们是非常重要的。毕竟，Quaoar最近的环发现导致了头条新闻声称“这些环是不可能的”，但如果我们把它的发现放在适当的背景下，我们就会明白为什么这样的头条新闻是不可信的。

土星的轴向倾角与地球一样：26.7度，导致土星的季节。地球的季节大约持续3个月，土星上的季节每个持续~7年。如图所示，环的变化代表了哈勃望远镜在年、年、年、年和年同一时间的观测结果。这些环在年完美地边缘化，然后在年再次出现。

(图片来源：R.G.French（韦尔斯利学院）等人，NASA，ESA和哈勃遗产团队（STScI/AURA））

让我们来看看太阳系最大的两颗行星木星和土星之间的一些异同。

就行星本身而言，两者都相对快速地旋转：木星每9.9小时完成一次°旋转，而土星每10.5小时完成一次。然而，土星的自转轴比木星的倾斜要严重得多：26.73°至3.13°。

虽然木星所有非常巨大的卫星都在木星自转轴的1°以内运行，但土星也有例外，Iapetus（其第二大质量的卫星）的轨道偏离其旋转平面超过15°。

虽然木星在可见光下有一个薄薄的环系统，几乎无法检测到，但土星的闪耀非常出色，并且在物理范围和质量上都要大得多。事实上，对两个世界的环质量的估计表明，土星的质量是木星的多倍，可能高达木星的，，倍。木星环主要由尘埃物质组成，似乎与附近一些卫星的构成相匹配，但土星环的反射性令人难以置信：几乎完全由水冰组成。

卡西尼号在其大结局之前进行的直接采样的一些发现：发现复杂的有机物从土星环落到赤道上;内环粒子带电荷并沿着磁场线向高纬度行进;它们跟随复杂的电流系统和辐射带并相互作用;我们发现土星拥有一个倾斜度接近于零的磁场。

(学分：NASA/JPL-Caltech）

但最令人震惊的是，土星环现在已知正在迅速消失。事实上，有两个过程都非常有效地帮助土星环蒸发。

电离环雨：当来自太阳的紫外线照射到雨中的水冰分子时，就会发生这种现象，并且每当流星体撞击发生时就会被放大，因为这些撞击会产生等离子体云。这些反应激发环内的分子和原子，产生离子。土星的带电电离层与这些离子相互作用，加速并将它们转向土星两极周围的高纬度地区。这产生了我们所知的“环雨”，并导致主环在距离土星的所有距离处衰变。

赤道落下的尘埃和冰：这是在卡西尼号任务结束时发现的，当时太空探测器穿过环和行星本身之间的空间。卡西尼号的仪器检测到内环粒子正在积极地落到地球的赤道上，包括水，甲烷，氮，二氧化碳，以及硅酸盐和有机（含碳）化合物。

通过结合这两个环消耗过程的观测速率，我们可以估计剩余的环衰变需要多长时间，以及这些环可能在多长时间前形成。令人震惊的结论是，这些环很可能是在~1亿年前形成的，并且将在未来~1亿年内几乎完全消失。

这幅三幅图显示了土星、土卫六、Chrysalis和当前环系统的假设历史。当Chrysalis将土卫六向外拉动时，它向内迁移并导致土星的轴向倾斜发生变化。最终，Chrysalis在相对较近的过去被摧毁，导致今天观察到的土星系统。创造土星环的其他场景包括摧毁先前存在的卫星的撞击。

(学分：玛丽亚姆·埃尔·穆塔米德，科学，年）

人们经常想知道为什么土星环没有合并成新月。同样，他们有一个非常相似的答案，他们想知道为什么小行星带没有合并成一个单一的大质量行星。答案与三个因素有关：

环/碎片场的总质量，

轨道上其他物体的引力影响，

以及试图长成较大物体的小颗粒固有的稳定性（或不稳定性）。

随着质量的增大，很容易形成一个大的引力束缚物体。但是，对于较小的数量，合并到单个对象中会更加困难。尽管分布在成千上万的大质量天体中，但小行星带的质量只有地球卫星的3%左右，土星的主环只有Mimas质量的41%，而Mimas本身只是土星的第7大卫星。

最后，当我们观察土星环的内部时，我们发现大量的卫星在环中雕刻出缝隙，但它们不会持续很长时间，要么被土星的潮汐力和周围的天体撕裂，要么在它们被一个相对快速移动的粒子击中之前，能够将这些卫星炸成碎片，将它们回收回主环。

土星反射极强的卫星土卫二被厚厚的水冰外壳覆盖，上面有裂缝，间歇泉从南极发出。土卫二是土星E环的来源，在卡西尼号反射的阳光下可见。

(图片来源：NASA/JPL/空间科学研究所）

土星还有另外两个环，都在主环之外，可以说是一组非常不同的起源。

一个是E环，它是由土星更不寻常的卫星之一：土卫二产生的。土卫二是太阳系中反射率最高的卫星，几乎完全由水冰制成。随着从南极喷出的羽流主要由盐水，沙子，氨和有机分子组成，这些物质在土星周围的轨道上被拉伸，形成一个不稳定的环，只有在土卫二不断补充时才存在。这表明土卫二可能很年轻，甚至可能是在创造土星主环的任何事件之后形成的。

第二个是土星的菲比环，它来自月亮菲比：它本身就是一个捕获的天体，很可能来自柯伊伯带。像菲比这样的浮冰富含挥发物，挥发物会蒸发并蒸发掉，在菲比的轨道内外形成一个巨大的环状光环。这些粒子由于重新发射太阳辐射而向内迁移，并导致土星内侧卫星土卫八的主半球显著变暗。

通过以与

菲比

环中的粒子轨道相反的方向运行，土卫八积累了一些较暗的物质，优选仅在一侧。当那一侧的挥发性冰优先升华时，会留下较暗的沉积物，而富含冰的一侧会变得更厚，反射性更强。菲比环完全独立于土星的主环而存在。

(学分：美国宇航局/喷气推进实验室加州理工学院/卡西尼科学团队）

在这一点上，尚不清楚是否外部天体进入并撞击了土星的前一颗卫星，以类似于（但大于）在土卫三和土卫一上产生巨大陨石坑的碰撞的撞击摧毁了它，或者它是否被路过的引力相互作用摧毁，导致土星潮汐撕裂月球。然而，无论哪种情况：土星环都相对年轻，至少在宇宙时间尺度上不会太久。

按理说，在太阳系的整个历史中，特别是在气态巨行星周围，有大量的卫星，强大的引力，以及许多闯入者击中目标的机会。从大小撞击来看，很容易想象每个气态巨行星世界都会发展出自己的环系统，每当月球体发生大规模破坏时，这些环系统偶尔会变得非常丰富。

但也有一些已知的行星-较小的岩石和冰世界-实际上它们周围也有环。在所有已知的案例中，在它们周围发现轨道卫星会不那么令人惊讶，但它们被发现有环。

太阳系中已知的半人马中最大的是夏利克洛，它没有任何环绕其运行的固体卫星，但拥有两个已知的环：一个比另一个厚得多，相距约14公里。目前尚不清楚这些卫星是被摧毁的，还是被卫星遮蔽，但这些环的存在是明确的。

(图片来源：ESO/L.Cal?ada/M.Kornmesser/NickRisinger（skysurvey.org））

其中之一是凯龙：一个绕太阳运行的天体，其距离位于土星和天王星的轨道之间。凯龙拥有介于小行星和彗星之间的特性，是一类在木星轨道外但海王星内部发现的物体中的第一个：半人马。与半人马Chariklo一起，掩星显示这些物体周围有环，当环沿着视线干预恒星时，会导致背景星光变暗。

这些环上可能有也可能没有卫星，这些环可能是也可能不是曾经被撞击破坏的卫星的稀薄、稀疏的残余物。

还有一种引力现象可以摧毁轨道上的物体，并将它们撕碎成碎片环：在一个巨大物体的洛希极限内通过。如果一个次要物体绕着一个主要物体的轨道运行得太近，那么作用在较小物体上的潮汐力会将其撕裂：首先形成一个环，随着时间的推移，使其“坠落”，并落在较大的物体上。位于柯伊伯带的矮行星Haumea有一个在这个范围内的环，而土星的卫星土卫八有一个赤道中脊：这暗示了环绕它的一个天体——也就是我们所熟知的月球——先前被潮汐力摧毁，导致土卫八最终形成了一个令人惊叹的赤道脊。

沿着土卫八延伸的巨大赤道脊在太阳系中是独一无二的。这个类似山脊的特征描绘了太阳系的一些最高山脉，尽管山脊的性质和起源仍然是一个悬而未决的问题。正如一些人所暗示的那样，它可能是一个曾经被摧毁的月球（土卫八的卫星）的残余物，该卫星已经落回了世界。

(学分：NASA/JPL-Caltech/SpaceScienceInstitute/Cassini）

人们对Quaoar的环感到兴奋的原因是它离它的母体很远：比洛希极限远几倍。然而，这绝对是一个环。然而，目前尚不清楚是否：

这是一个瞬态环，由撞击或其他中断事件产生，

这个环是稳定的，并由其他迄今为止未被发现的卫星引导，

或者这个环是否是由某种加热/挥发性产生事件主动产生的。

重要的是要记住，在小行星和柯伊伯带天体中，围绕相对较大和大质量天体的卫星很常见。六个最大的柯伊伯带天体——厄里斯、冥王星、共工、马克马克、妊神星和夸阿尔——都拥有卫星，夸尔环在其卫星轨道内运行良好：Weywot。也许令人惊讶的是，Quaoar环的亮度和厚度变化很大，这表明要么像土卫二和土星的E环一样，有一个物体会排气，产生环，要么环和外月之间的一组共振（轨道频率为6：1）驱动其结构，防止合并成统一的卫星。

这篇文章展示了Quaoar，它更遥远的卫星Weywot和它的环系统。请注意环从一侧到另一侧的大小，密度和厚度的极端差异，这表明它可能起源于一颗挥发性发射卫星，类似于土卫二和土星的E环。

(图片来源：欧空局用于CHEOPS任务;致谢：ATG根据合同完成的工作）

无论哪种解释是正确的，只要存在不确定性，有一件事是明确的：我们太阳系中所有观测到的环系统只有一个原因，这个原因是宇宙暴力。有时，暴力可能是由于外部碰撞造成的;其他时候，来自轨道母体的潮汐力;其他时候，来自闯入者的引力作用;在其他时候，来自轨道系统内其他卫星的引力和潮汐力。卫星可以一次全部或一点一点地被撕碎，并且可以产生可以持续很长时间的环和环系统。

如果人类能够在过去或未来凝视我们的太阳系十亿年，我们可能会发现一个与我们现在看到的许多不同的系统。土星环可能像目前在木星周围发现的那些一样稀疏和脆弱。土卫二和E环可能都不存在，因为它们可能不是在1亿年前，也可能不会在1亿年后仍然存在。其他巨型世界可能有更突出的环，这取决于它们与这种类型的宇宙暴力的接近程度。今天的一些卫星可能会遭到破坏，变成环，然后它们的遗产完全消失。

这是一个清醒的提醒，无论我们何时拍摄宇宙快照，我们所能看到和访问的都是幸存者。也许我们的系外行星研究，当我们的技术得到充分改进时，将教会我们更多关于整个银河系中存在的环状系统的全部深度和广度。

从宇宙大爆炸开始