地球曾经也拥有星环？

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翻译：申振宇

校对：杨宜修 刘海牧

审阅：刘小宁

美编：徐玖坤

后台：胡永葳

早在恐龙出现之前，

我们的地球可能看起来有点像现在的土星。

如果4.6亿年前的地球有一个薄薄的环，那么它可能就是图中的样子。地环中较大的部分正在坠向地球。来源：天文学：罗恩·凯利

在冰冷又寂静的主小行星带上，一块巨大的岩石小行星在太空中飘荡。它已经存在了数十亿年，没有一丝改变，但今天，它的命运将会被彻底改变。

原来是另外的岩石物体冲向了它，将它撞得粉碎，并向外发射了大量碎片。其中一个危险的大碎片斜向着太阳，其运行轨迹对地球构成了危险。经过几个月的长途旅行，它抵达了地球附近。幸运的是它没有对地球造成影响。小行星块的轨道足以使它与地球保持一定近的距离，这个距离不仅使它无法完全逃脱，但又不足以直接撞击地球。于是，它被一种新的引力束缚，开始绕着地球转。

它的新轨道太极端了。每绕地球一圈，小行星就会被从内到外撕裂，并不断拉伸，直到它破裂分解。一些碎片落在地球上，形成了地球上数百万年来最壮观的流星雨。但大部分仍在轨道上，汇聚集成一个环绕地球充满尘埃和碎石的光晕---这便是地球的行星环。

虽然这听起来像科幻小说，但科学家们认为这可能真实发生过。如果人类生活在几亿年前，我们就能亲眼看到这个场景。但现在，科学家们不得不拼凑地质记录中保存的古代线索。科学家们已经达成共识，大约在4.66亿年前，小行星带的一次碰撞粉碎了一块巨大的太空岩石。地球上对应该时间的奥陶纪时期岩石记录到了当时地震和海啸增加的情况，这和地球周围到处都是太空岩石情况下做出的预测结果一致。

科学家们已经发现了小行星尘埃和陨石的碎片，这些碎片保存在石灰岩中，可以追溯到奥陶纪。此外，还有21个陨石坑的形成时间，也可以追溯到同一时期。

科学家们过去认为太空碰撞的碎片并没有在轨道上停留，而是直接冲向了地球。但是，去年11月发表在《地球与行星科学通讯》上的一项研究挑战了这一假设。

一些研究人员认为，加拿大西北地区的飞行员湖陨石坑是地球环碎片坠落地球时形成的。它直径3.7英里（6公里）。资料来源：美国地质勘探局/美国宇航局陆地卫星计划

行星级鉴定

澳大利亚莫纳什大学地球与行星科学教授安迪·汤姆金斯（Andy Tomkins）在阅读了有关火星卫星如何从环中的物质形成的文章后，开始思考：我们如何才能判断地球是否也曾经有过行星环？

“行星环的形成是一种相对常见的现象，”汤姆金斯说。“火星或许曾有过一个，所有的外行星都有环。那地球为什么不能有呢？”汤姆金斯想知道，如果地球过去确实有一个行星环，我们要怎么知道呢？

海啸和地震的激增，多余的陨石碎片（比平时多100到1000倍），以及奥陶纪期间如此多的陨石坑，都表明当时发生了一些重大事件。

在这位艺术家的渲染图中，与现代龙虾有关的五翼海蝎子生活在大约4.67亿年前，大约在研究人员认为地球有环的时候。图片来源：Patrick Lynch/WikiMedia Commons

“问题只是它是什么，”汤姆金斯说。太空岩石确实会周期性地撞击地球，有时甚至会留下陨石坑，但通常需要数千万年甚至数亿年才能积累21个陨石坑。然而科学家认为奥陶纪的陨石坑都是在几千到几十万年的时间内形成的。

这种情况很可疑，值得仔细观察。汤姆金斯推断，这些陨石坑可能是由同一个行星环上落下的物质造成的。如果这个推断正确，那么它们的位置应该表明它们来自地球上方的一个受限区域。但问题在于，在这4.66亿年的时间里，板块构造已经改变了地球上陨石坑的分布。

详实的研究使科学家能够从根本上回溯大陆漂移。汤姆金斯和他的团队利用板块构造重建来观察奥陶纪流星事件中21个陨石坑形成时的位置。如果它们是由小行星碎片直接撞击地球形成的，那么这些陨石坑应该随机分布在全球各地。

但如果它们是由坠落的环形成的，它们应该集中分布在赤道附近。轨道上的碎片会被地球的引力场和自转吸引到赤道轨道上。这些物质会在那里稳定下来，就像外行星周围的环围绕着它们的赤道一样。

随着时间的推移，环的碎片会随着轨道的衰减而掉落。它们的轨道会把它们送到地球的中部附近，更大的碎片会留下陨石坑。汤姆金斯和他的团队发现，奥陶纪流星事件的所有21个陨石坑最初都在赤道30°范围内，即地球的中间三分之一。

没有参与这项研究的天文学家菲尔·普莱特（Phil Plait）说，虽然这不是地球环坍缩的铁证，但它却是强有力的证据。他说：“从统计学上讲，在地球环被认为存在的时期，在赤道30°范围内，只有大约30%的地球表面被陆地覆盖，因此这不可能是偶然发生的。”

突破性的论点

进行这项研究的科学家们说，最终形成地球环的小行星碎片太靠近地球了，超过了一个被称为罗氏极限的点，小行星就无法保持完整。

汤姆金斯说：“你可能听说过‘意大利面化’这个词，它用来描述一个物体在太靠近黑洞时被拉伸和撕裂。”“同样的原理也适用于小行星这样的天体离行星太近的时候。”唯一的区别是拉伸和撕裂的程度，靠近行星的这种程度是较低的，因为引力不像黑洞附近那么极端。

当一个松散聚集在一起的小物体在与行星近距离接触时经历了潮汐拉伸，这种效应就会将物体分解成碎片流。这可能就是小行星碎片在接近地球时发生的情况。

碎片必须通过一个极其狭窄的空间区域，才能被地球引力撕碎。“但随着时间的推移，比如数十亿年，那么即使是大小适中的小行星近距离掠过，撕裂也是不可避免的，”普莱特说。“因此，认为这种情况在地球历史上至少发生过一次并不太牵强。”

在地球历史的早期，可能有过几次类似的情况。虽然地质记录痕迹随着时间的增长而减弱，这些情况大多是我们无法知道的，但汤姆金斯仍然认为，4.66亿年前的环至少是地球上的第二个环。大多数关于月球形成的理论都解释说，它是在地球和一个火星大小的天体碰撞之后形成的，因为撞击产生的碎片曾聚集在一个短命的地球环轨道上。

尽管4.66亿年前在地球附近被撕裂的小行星很可能只是小行星带中更大天体的一部分，但它的体积可能仍然很大——也许比6600万年前导致恐龙灭绝的那颗小行星还要大。如果它的轨迹稍有不同，结果可能会大不相同。

4.66亿年前，地球上的生命还主要局限于海洋。当时有一些陆地植物，但根据化石记录，陆地动物在几百万年后才会进化。

小行星碎片的直接撞击可能不会像后来的恐龙灭绝那样造成大规模灭绝，因为它对陆地的影响比水下更极端。但我们有理由认为，地球环的形成可能极大地改变了地球上生命的进程。

受压开裂

1994年7月，苏梅克-列维9号彗星分裂成21个碎片，坠入木星大气层。然而，这些撞击的证据很快就消失了。来源：H. A. Weaver/T。e·史密斯/太空望远镜科学研究所/ NASA / ESA

20世纪90年代初，苏梅克-列维9号彗星在接近木星时被撕裂，这是由于潮汐力造成的物体解体。这颗彗星并不像意大利面条一样，它被分解成一串“珍珠链”，在被发现的几年内就撞击了木星，这是人们第一次目睹一个物体撞击一颗行星。

这颗彗星最初绕太阳运行的路径使它离木星足够近，以至于它的轨道改变了，它开始绕着这个巨大的天体运行。但它的新轨道并不稳定，由于潮汐力太强，彗星无法将自己固定在一起，最终使它进入到行星的罗氏极限内。在它分解成碎片后，它继续在一个逐渐衰减的轨道上运行，最终在1994年坠入木星。

科学家们认为，当卫星在潮汐力的压力下被压碎时，同样的原理也可能产生了外行星的环，尽管有些可能是由于与其他物体的撞击而破碎形成的。这些环已经持续了很长时间，估计从数百万年到数十亿年不等，但它们也有一个截止日期。最终，重力会把轨道上的尘埃和岩石拉到它们的母行星表面，除非有新的物质补充，否则光环就会消散。

寒冷期

月球背面有许多陨石撞击留下的伤痕。科学家们正在寻找证据，证明地球上可能发生过与地球环坠落类似的大规模事件。来源：NASA/GSFC/亚利桑那州立大学

地球的光环可能持续了数百万年，也许它只是一个微弱的尘埃带，在白天划过天空，在晚上微弱地发光。它甚至可能没有直接引起三叶虫、珊瑚和当时居住在地球上的乌贼等动物的早期祖先注意。但这个环会在地球上投下阴影，像遮阳板一样阻挡阳光，使地球变冷。

汤姆金斯说：“你可以看到土星环是如何在土星上投下阴影的。”“同样的事情会在更小的程度上发生，因为地球的这个环会更小。”

借助古代岩石，科学家们研究了海洋沉积物中同位素的比例，他们就像天然的温度计一样。（同位素是同一元素的不同“口味”；它们是原子核中含有相同数量的质子但中子数量不同的原子。）研究这些过去水温的记录表明，有一种奇怪的过冷现象，与环的形成时间大致吻合。

当地球表面温度骤降时，地球上一些你认为不会被冰冻的地方就会被冰覆盖（正如冰川沉积物所示），海平面也会迅速下降。最奇怪的是，这个冰河时代实际上发生在大气中大量二氧化碳导致地球变暖的时期。

科学家们对这次冷冻提出了几种可能的解释，从大陆漂移到太阳活动减弱。但也可能是一群太空碎片导致了如此剧烈和突然地地球温度降低。虽然海洋动物可能在一定程度上并不受小行星直接撞击的影响，但它们却无法逃脱行星冷却的影响。所以在这种情况下，虽然小行星没有撞击地球，但它造成的死亡人数可能比撞击地球时要多得多。

化石记录显示，大约4.45亿到4.43亿年前，四分之三的动物因无法在更寒冷的温度下生存而灭绝。另一个主要的温度变化的时间是从大约4.44亿年前到4.37亿年前，在此期间地球再次迅速变暖，这或许是随着地球环的消散和它所引起的冷却效应的解除。

有点违反直觉的是，地球温度的巨大变化也可能是生命的福音。奥陶纪生物多样性大爆发事件发生在地球环被认为形成的同一时间。在这个关键时期，由于一些物种能够适应变化的条件或进入不同的环境，许多新的生命类型出现了。

我们今天看到的许多生命形式的祖先都出现在这段时间，它们为现代海洋生态系统奠定了基础。海洋生态系统的复杂性增加有助于稳定地球的生物地球化学循环，这为陆地生命的繁荣铺平了道路。因此，虽然地球环是暂时的，但它可能对地球上的生命产生了实质性的、持久的影响。

奥陶纪生物多样性大爆发事件发生在研究人员认为地球有环的时候。许多新的生命形式通过适应新的气候或迁移到更有利的环境而发展起来。图片来源：paleequii /WikiMedia Commons

为什么外行星都有环？

要制造行星环，你需要材料和机会。我们太阳系的外围地区富含这些物质并有适宜环境创造形成机会。

“你知道外行星有多少颗卫星么？总共有几百颗！而类地行星却只有三颗，”汤姆金斯说。“这是个线索。”

在远离太阳的行星带，特别是海王星以外的柯伊伯带，由于温度足够低，可以形成许多小的、冰冷的物体。这意味着周围有更多可能形成环的物体，并且更有可能有物体漂移到足够靠近行星的地方而分裂。

最著名的环系是土星环。大多数天文学家认为它形成于40亿年前，但最近来自卡西尼号宇宙飞船的证据让人认为它可能只有几亿年的历史。科学家们认为，从现在开始的1亿到3亿年间，土星环的粒子将全部落入土星。资料来源：美国宇航局/喷气推进实验室/空间科学研究所

再造地球环

与一颗小行星的偶然相遇，导致地球周围形成了一个环，降低了地球温度，加速了生物进化——这听起来很疯狂。但是行星环很常见。它们可能是百万分之一的结果，但太阳系已经存在了46亿年。

汤姆金斯说：“这不是地球第一次有光环，也很可能不会是最后一次。”

有些人甚至会想把一颗小行星推向我们的方向。如果它的轨道足够精确，它就会分裂，并可能在地球周围形成一个新的环。那么我们也许就能和全球变暖说再见！

普莱特说：“问题是，除了发现小行星并将其拖入地球轨道的成本之外，我们不知道其他是否还会有影响。”“几乎在一夜之间改变全球气候可能会给我们的生态圈带来很多不稳定，这可能会增加我们已经造成的破坏。”更不用说小行星意外撞击地球的可能性了。此外，全球变暖是一个我们应该有能力解决的人为问题，在我们地球上进行未经测试的实验之前，我们都应该继续努力。

科学家们甚至不能完全确定4.66亿年前的环对地球可能产生的影响，也不能完全确定这个环最初是否确实存在。

但是，普莱特说：“即使结果是错的，我也喜欢这样的假设。我们仍然对地球的过去知之甚少，让我们的想象力去探索不寻常的道路是一个很好的方式，可以开启更多的探索，激发更多的想法。如果它是正确的，那么它为我们进行更多的研究提供了一个方向，如果不是，那么，反驳一些东西也是有价值的，因为这意味着我们所观察到的现象有一个不同的原因可以解释。”

美国国家航空航天局制定了捕获小行星并将其送回地球轨道的计划，其中包括这位艺术家的构想。宇宙飞船只能回收一个直径不超过30英尺（9.1米）的小行星，这个小行星太小了，无法在地球周围形成一个环。来源:美国国家航空航天局

宇宙问题有时感觉与地球事务相去甚远，是一个明显不同的范畴。但研究它们有助于我们了解地球所处的太空环境是如何塑造地球的形成、地球的气候，甚至可能是影响地球上生命进化的进程。

科学研究驱动技术创新，增强科学意识。科研人员的共同努力可以帮助我们更好地保护和维护地球上的生命，也许有一天，在其他地方也会如此。

https://www.astronomy.com/science/did-earth-once-have-a-ring/

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地球行星环

图源：网络

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