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翻譯：申振宇

校對(duì)：楊宜修 劉海牧

審閱：劉小寧

美編：徐玖坤

后臺(tái)：胡永葳

早在恐龍出現(xiàn)之前，

我們的地球可能看起來有點(diǎn)像現(xiàn)在的土星。

如果4.6億年前的地球有一個(gè)薄薄的環(huán)，那么它可能就是圖中的樣子。地環(huán)中較大的部分正在墜向地球。來源：天文學(xué)：羅恩·凱利

在冰冷又寂靜的主小行星帶上，一塊巨大的巖石小行星在太空中飄蕩。它已經(jīng)存在了數(shù)十億年，沒有一絲改變，但今天，它的命運(yùn)將會(huì)被徹底改變。

原來是另外的巖石物體沖向了它，將它撞得粉碎，并向外發(fā)射了大量碎片。其中一個(gè)危險(xiǎn)的大碎片斜向著太陽，其運(yùn)行軌跡對(duì)地球構(gòu)成了危險(xiǎn)。經(jīng)過幾個(gè)月的長途旅行，它抵達(dá)了地球附近。幸運(yùn)的是它沒有對(duì)地球造成影響。小行星塊的軌道足以使它與地球保持一定近的距離，這個(gè)距離不僅使它無法完全逃脫，但又不足以直接撞擊地球。于是，它被一種新的引力束縛，開始繞著地球轉(zhuǎn)。

它的新軌道太極端了。每繞地球一圈，小行星就會(huì)被從內(nèi)到外撕裂，并不斷拉伸，直到它破裂分解。一些碎片落在地球上，形成了地球上數(shù)百萬年來最壯觀的流星雨。但大部分仍在軌道上，匯聚集成一個(gè)環(huán)繞地球充滿塵埃和碎石的光暈---這便是地球的行星環(huán)。

雖然這聽起來像科幻小說，但科學(xué)家們認(rèn)為這可能真實(shí)發(fā)生過。如果人類生活在幾億年前，我們就能親眼看到這個(gè)場景。但現(xiàn)在，科學(xué)家們不得不拼湊地質(zhì)記錄中保存的古代線索?？茖W(xué)家們已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，大約在4.66億年前，小行星帶的一次碰撞粉碎了一塊巨大的太空巖石。地球上對(duì)應(yīng)該時(shí)間的奧陶紀(jì)時(shí)期巖石記錄到了當(dāng)時(shí)地震和海嘯增加的情況，這和地球周圍到處都是太空巖石情況下做出的預(yù)測結(jié)果一致。

科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了小行星塵埃和隕石的碎片，這些碎片保存在石灰?guī)r中，可以追溯到奧陶紀(jì)。此外，還有21個(gè)隕石坑的形成時(shí)間，也可以追溯到同一時(shí)期。

科學(xué)家們過去認(rèn)為太空碰撞的碎片并沒有在軌道上停留，而是直接沖向了地球。但是，去年11月發(fā)表在《地球與行星科學(xué)通訊》上的一項(xiàng)研究挑戰(zhàn)了這一假設(shè)。

一些研究人員認(rèn)為，加拿大西北地區(qū)的飛行員湖隕石坑是地球環(huán)碎片墜落地球時(shí)形成的。它直徑3.7英里（6公里）。資料來源：美國地質(zhì)勘探局/美國宇航局陸地衛(wèi)星計(jì)劃

行星級(jí)鑒定

澳大利亞莫納什大學(xué)地球與行星科學(xué)教授安迪·湯姆金斯（Andy Tomkins）在閱讀了有關(guān)火星衛(wèi)星如何從環(huán)中的物質(zhì)形成的文章后，開始思考：我們?nèi)绾尾拍芘袛嗟厍蚴欠褚苍?jīng)有過行星環(huán)？

“行星環(huán)的形成是一種相對(duì)常見的現(xiàn)象，”湯姆金斯說?！盎鹦腔蛟S曾有過一個(gè)，所有的外行星都有環(huán)。那地球?yàn)槭裁床荒苡心兀俊睖方鹚瓜胫?，如果地球過去確實(shí)有一個(gè)行星環(huán)，我們要怎么知道呢？

海嘯和地震的激增，多余的隕石碎片（比平時(shí)多100到1000倍），以及奧陶紀(jì)期間如此多的隕石坑，都表明當(dāng)時(shí)發(fā)生了一些重大事件。

在這位藝術(shù)家的渲染圖中，與現(xiàn)代龍蝦有關(guān)的五翼海蝎子生活在大約4.67億年前，大約在研究人員認(rèn)為地球有環(huán)的時(shí)候。圖片來源：Patrick Lynch/WikiMedia Commons

“問題只是它是什么，”湯姆金斯說。太空巖石確實(shí)會(huì)周期性地撞擊地球，有時(shí)甚至?xí)粝码E石坑，但通常需要數(shù)千萬年甚至數(shù)億年才能積累21個(gè)隕石坑。然而科學(xué)家認(rèn)為奧陶紀(jì)的隕石坑都是在幾千到幾十萬年的時(shí)間內(nèi)形成的。

這種情況很可疑，值得仔細(xì)觀察。湯姆金斯推斷，這些隕石坑可能是由同一個(gè)行星環(huán)上落下的物質(zhì)造成的。如果這個(gè)推斷正確，那么它們的位置應(yīng)該表明它們來自地球上方的一個(gè)受限區(qū)域。但問題在于，在這4.66億年的時(shí)間里，板塊構(gòu)造已經(jīng)改變了地球上隕石坑的分布。

詳實(shí)的研究使科學(xué)家能夠從根本上回溯大陸漂移。湯姆金斯和他的團(tuán)隊(duì)利用板塊構(gòu)造重建來觀察奧陶紀(jì)流星事件中21個(gè)隕石坑形成時(shí)的位置。如果它們是由小行星碎片直接撞擊地球形成的，那么這些隕石坑應(yīng)該隨機(jī)分布在全球各地。

但如果它們是由墜落的環(huán)形成的，它們應(yīng)該集中分布在赤道附近。軌道上的碎片會(huì)被地球的引力場和自轉(zhuǎn)吸引到赤道軌道上。這些物質(zhì)會(huì)在那里穩(wěn)定下來，就像外行星周圍的環(huán)圍繞著它們的赤道一樣。

隨著時(shí)間的推移，環(huán)的碎片會(huì)隨著軌道的衰減而掉落。它們的軌道會(huì)把它們送到地球的中部附近，更大的碎片會(huì)留下隕石坑。湯姆金斯和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，奧陶紀(jì)流星事件的所有21個(gè)隕石坑最初都在赤道30°范圍內(nèi)，即地球的中間三分之一。

沒有參與這項(xiàng)研究的天文學(xué)家菲爾·普萊特（Phil Plait）說，雖然這不是地球環(huán)坍縮的鐵證，但它卻是強(qiáng)有力的證據(jù)。他說：“從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，在地球環(huán)被認(rèn)為存在的時(shí)期，在赤道30°范圍內(nèi)，只有大約30%的地球表面被陸地覆蓋，因此這不可能是偶然發(fā)生的?！?/p>

突破性的論點(diǎn)

進(jìn)行這項(xiàng)研究的科學(xué)家們說，最終形成地球環(huán)的小行星碎片太靠近地球了，超過了一個(gè)被稱為羅氏極限的點(diǎn)，小行星就無法保持完整。

湯姆金斯說：“你可能聽說過‘意大利面化’這個(gè)詞，它用來描述一個(gè)物體在太靠近黑洞時(shí)被拉伸和撕裂?！薄巴瑯拥脑硪策m用于小行星這樣的天體離行星太近的時(shí)候?！蔽ㄒ坏膮^(qū)別是拉伸和撕裂的程度，靠近行星的這種程度是較低的，因?yàn)橐Σ幌窈诙锤浇敲礃O端。

當(dāng)一個(gè)松散聚集在一起的小物體在與行星近距離接觸時(shí)經(jīng)歷了潮汐拉伸，這種效應(yīng)就會(huì)將物體分解成碎片流。這可能就是小行星碎片在接近地球時(shí)發(fā)生的情況。

碎片必須通過一個(gè)極其狹窄的空間區(qū)域，才能被地球引力撕碎?！暗S著時(shí)間的推移，比如數(shù)十億年，那么即使是大小適中的小行星近距離掠過，撕裂也是不可避免的，”普萊特說?！耙虼?，認(rèn)為這種情況在地球歷史上至少發(fā)生過一次并不太牽強(qiáng)。”

在地球歷史的早期，可能有過幾次類似的情況。雖然地質(zhì)記錄痕跡隨著時(shí)間的增長而減弱，這些情況大多是我們無法知道的，但湯姆金斯仍然認(rèn)為，4.66億年前的環(huán)至少是地球上的第二個(gè)環(huán)。大多數(shù)關(guān)于月球形成的理論都解釋說，它是在地球和一個(gè)火星大小的天體碰撞之后形成的，因?yàn)樽矒舢a(chǎn)生的碎片曾聚集在一個(gè)短命的地球環(huán)軌道上。

盡管4.66億年前在地球附近被撕裂的小行星很可能只是小行星帶中更大天體的一部分，但它的體積可能仍然很大——也許比6600萬年前導(dǎo)致恐龍滅絕的那顆小行星還要大。如果它的軌跡稍有不同，結(jié)果可能會(huì)大不相同。

4.66億年前，地球上的生命還主要局限于海洋。當(dāng)時(shí)有一些陸地植物，但根據(jù)化石記錄，陸地動(dòng)物在幾百萬年后才會(huì)進(jìn)化。

小行星碎片的直接撞擊可能不會(huì)像后來的恐龍滅絕那樣造成大規(guī)模滅絕，因?yàn)樗鼘?duì)陸地的影響比水下更極端。但我們有理由認(rèn)為，地球環(huán)的形成可能極大地改變了地球上生命的進(jìn)程。

受壓開裂

1994年7月，蘇梅克-列維9號(hào)彗星分裂成21個(gè)碎片，墜入木星大氣層。然而，這些撞擊的證據(jù)很快就消失了。來源：H. A. Weaver/T。e·史密斯/太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所/ NASA / ESA

20世紀(jì)90年代初，蘇梅克-列維9號(hào)彗星在接近木星時(shí)被撕裂，這是由于潮汐力造成的物體解體。這顆彗星并不像意大利面條一樣，它被分解成一串“珍珠鏈”，在被發(fā)現(xiàn)的幾年內(nèi)就撞擊了木星，這是人們第一次目睹一個(gè)物體撞擊一顆行星。

這顆彗星最初繞太陽運(yùn)行的路徑使它離木星足夠近，以至于它的軌道改變了，它開始繞著這個(gè)巨大的天體運(yùn)行。但它的新軌道并不穩(wěn)定，由于潮汐力太強(qiáng)，彗星無法將自己固定在一起，最終使它進(jìn)入到行星的羅氏極限內(nèi)。在它分解成碎片后，它繼續(xù)在一個(gè)逐漸衰減的軌道上運(yùn)行，最終在1994年墜入木星。

科學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)衛(wèi)星在潮汐力的壓力下被壓碎時(shí)，同樣的原理也可能產(chǎn)生了外行星的環(huán)，盡管有些可能是由于與其他物體的撞擊而破碎形成的。這些環(huán)已經(jīng)持續(xù)了很長時(shí)間，估計(jì)從數(shù)百萬年到數(shù)十億年不等，但它們也有一個(gè)截止日期。最終，重力會(huì)把軌道上的塵埃和巖石拉到它們的母行星表面，除非有新的物質(zhì)補(bǔ)充，否則光環(huán)就會(huì)消散。

寒冷期

月球背面有許多隕石撞擊留下的傷痕?？茖W(xué)家們正在尋找證據(jù)，證明地球上可能發(fā)生過與地球環(huán)墜落類似的大規(guī)模事件。來源：NASA/GSFC/亞利桑那州立大學(xué)

地球的光環(huán)可能持續(xù)了數(shù)百萬年，也許它只是一個(gè)微弱的塵埃帶，在白天劃過天空，在晚上微弱地發(fā)光。它甚至可能沒有直接引起三葉蟲、珊瑚和當(dāng)時(shí)居住在地球上的烏賊等動(dòng)物的早期祖先注意。但這個(gè)環(huán)會(huì)在地球上投下陰影，像遮陽板一樣阻擋陽光，使地球變冷。

湯姆金斯說：“你可以看到土星環(huán)是如何在土星上投下陰影的?！薄巴瑯拥氖虑闀?huì)在更小的程度上發(fā)生，因?yàn)榈厍虻倪@個(gè)環(huán)會(huì)更小?！?/p>

借助古代巖石，科學(xué)家們研究了海洋沉積物中同位素的比例，他們就像天然的溫度計(jì)一樣。（同位素是同一元素的不同“口味”；它們是原子核中含有相同數(shù)量的質(zhì)子但中子數(shù)量不同的原子。）研究這些過去水溫的記錄表明，有一種奇怪的過冷現(xiàn)象，與環(huán)的形成時(shí)間大致吻合。

當(dāng)?shù)厍虮砻鏈囟润E降時(shí)，地球上一些你認(rèn)為不會(huì)被冰凍的地方就會(huì)被冰覆蓋（正如冰川沉積物所示），海平面也會(huì)迅速下降。最奇怪的是，這個(gè)冰河時(shí)代實(shí)際上發(fā)生在大氣中大量二氧化碳導(dǎo)致地球變暖的時(shí)期。

科學(xué)家們對(duì)這次冷凍提出了幾種可能的解釋，從大陸漂移到太陽活動(dòng)減弱。但也可能是一群太空碎片導(dǎo)致了如此劇烈和突然地地球溫度降低。雖然海洋動(dòng)物可能在一定程度上并不受小行星直接撞擊的影響，但它們卻無法逃脫行星冷卻的影響。所以在這種情況下，雖然小行星沒有撞擊地球，但它造成的死亡人數(shù)可能比撞擊地球時(shí)要多得多。

化石記錄顯示，大約4.45億到4.43億年前，四分之三的動(dòng)物因無法在更寒冷的溫度下生存而滅絕。另一個(gè)主要的溫度變化的時(shí)間是從大約4.44億年前到4.37億年前，在此期間地球再次迅速變暖，這或許是隨著地球環(huán)的消散和它所引起的冷卻效應(yīng)的解除。

有點(diǎn)違反直覺的是，地球溫度的巨大變化也可能是生命的福音。奧陶紀(jì)生物多樣性大爆發(fā)事件發(fā)生在地球環(huán)被認(rèn)為形成的同一時(shí)間。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，由于一些物種能夠適應(yīng)變化的條件或進(jìn)入不同的環(huán)境，許多新的生命類型出現(xiàn)了。

我們今天看到的許多生命形式的祖先都出現(xiàn)在這段時(shí)間，它們?yōu)楝F(xiàn)代海洋生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。海洋生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加有助于穩(wěn)定地球的生物地球化學(xué)循環(huán)，這為陸地生命的繁榮鋪平了道路。因此，雖然地球環(huán)是暫時(shí)的，但它可能對(duì)地球上的生命產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的、持久的影響。

奧陶紀(jì)生物多樣性大爆發(fā)事件發(fā)生在研究人員認(rèn)為地球有環(huán)的時(shí)候。許多新的生命形式通過適應(yīng)新的氣候或遷移到更有利的環(huán)境而發(fā)展起來。圖片來源：paleequii /WikiMedia Commons

為什么外行星都有環(huán)？

要制造行星環(huán)，你需要材料和機(jī)會(huì)。我們太陽系的外圍地區(qū)富含這些物質(zhì)并有適宜環(huán)境創(chuàng)造形成機(jī)會(huì)。

“你知道外行星有多少顆衛(wèi)星么？總共有幾百顆！而類地行星卻只有三顆，”湯姆金斯說?！斑@是個(gè)線索?！?/p>

在遠(yuǎn)離太陽的行星帶，特別是海王星以外的柯伊伯帶，由于溫度足夠低，可以形成許多小的、冰冷的物體。這意味著周圍有更多可能形成環(huán)的物體，并且更有可能有物體漂移到足夠靠近行星的地方而分裂。

最著名的環(huán)系是土星環(huán)。大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為它形成于40億年前，但最近來自卡西尼號(hào)宇宙飛船的證據(jù)讓人認(rèn)為它可能只有幾億年的歷史?？茖W(xué)家們認(rèn)為，從現(xiàn)在開始的1億到3億年間，土星環(huán)的粒子將全部落入土星。資料來源：美國宇航局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室/空間科學(xué)研究所

再造地球環(huán)

與一顆小行星的偶然相遇，導(dǎo)致地球周圍形成了一個(gè)環(huán)，降低了地球溫度，加速了生物進(jìn)化——這聽起來很瘋狂。但是行星環(huán)很常見。它們可能是百萬分之一的結(jié)果，但太陽系已經(jīng)存在了46億年。

湯姆金斯說：“這不是地球第一次有光環(huán)，也很可能不會(huì)是最后一次?！?/p>

有些人甚至?xí)氚岩活w小行星推向我們的方向。如果它的軌道足夠精確，它就會(huì)分裂，并可能在地球周圍形成一個(gè)新的環(huán)。那么我們也許就能和全球變暖說再見！

普萊特說：“問題是，除了發(fā)現(xiàn)小行星并將其拖入地球軌道的成本之外，我們不知道其他是否還會(huì)有影響?！薄皫缀踉谝灰怪g改變?nèi)驓夂蚩赡軙?huì)給我們的生態(tài)圈帶來很多不穩(wěn)定，這可能會(huì)增加我們已經(jīng)造成的破壞?！备挥谜f小行星意外撞擊地球的可能性了。此外，全球變暖是一個(gè)我們應(yīng)該有能力解決的人為問題，在我們地球上進(jìn)行未經(jīng)測試的實(shí)驗(yàn)之前，我們都應(yīng)該繼續(xù)努力。

科學(xué)家們甚至不能完全確定4.66億年前的環(huán)對(duì)地球可能產(chǎn)生的影響，也不能完全確定這個(gè)環(huán)最初是否確實(shí)存在。

但是，普萊特說：“即使結(jié)果是錯(cuò)的，我也喜歡這樣的假設(shè)。我們?nèi)匀粚?duì)地球的過去知之甚少，讓我們的想象力去探索不尋常的道路是一個(gè)很好的方式，可以開啟更多的探索，激發(fā)更多的想法。如果它是正確的，那么它為我們進(jìn)行更多的研究提供了一個(gè)方向，如果不是，那么，反駁一些東西也是有價(jià)值的，因?yàn)檫@意味著我們所觀察到的現(xiàn)象有一個(gè)不同的原因可以解釋?！?/p>

美國國家航空航天局制定了捕獲小行星并將其送回地球軌道的計(jì)劃，其中包括這位藝術(shù)家的構(gòu)想。宇宙飛船只能回收一個(gè)直徑不超過30英尺（9.1米）的小行星，這個(gè)小行星太小了，無法在地球周圍形成一個(gè)環(huán)。來源:美國國家航空航天局

宇宙問題有時(shí)感覺與地球事務(wù)相去甚遠(yuǎn)，是一個(gè)明顯不同的范疇。但研究它們有助于我們了解地球所處的太空環(huán)境是如何塑造地球的形成、地球的氣候，甚至可能是影響地球上生命進(jìn)化的進(jìn)程。

科學(xué)研究驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)科學(xué)意識(shí)?？蒲腥藛T的共同努力可以幫助我們更好地保護(hù)和維護(hù)地球上的生命，也許有一天，在其他地方也會(huì)如此。

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地球行星環(huán)

圖源：網(wǎng)絡(luò)

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