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翻譯：申振宇

校對：楊宜修 劉海牧

審閱：劉小寧

美編：徐玖坤

后臺：胡永葳

早在恐龍出現(xiàn)之前，

我們的地球可能看起來有點像現(xiàn)在的土星。

如果4.6億年前的地球有一個薄薄的環(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：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，它的命運將會被徹底改變。

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。其中一個危險的大碎片斜向著太陽，其運行軌跡對地球構(gòu)成了危險。經(jīng)過幾個月的長途旅行，它抵達了地球附近。幸運的是它沒有對地球造成影響。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，但科學家們認為這可能真實發(fā)生過。如果人類生活在幾億年前，我們就能親眼看到這個場景。但現(xiàn)在，科學家們不得不拼湊地質(zhì)記錄中保存的古代線索。科學家們已經(jīng)達成共識，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。地球上對應(yīng)該時間的奧陶紀時期巖石記錄到了當時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測結(jié)果一致。

科學家們已經(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。此外，還有21個隕石坑的形成時間，也可以追溯到同一時期。

科學家們過去認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《地球與行星科學通訊》上的一項研究挑戰(zhàn)了這一假設(shè)。

一些研究人員認為，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)星計劃

行星級鑒定

澳大利亞莫納什大學地球與行星科學教授安迪·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)的形成是一種相對常見的現(xiàn)象，”湯姆金斯說?！盎鹦腔蛟S曾有過一個，所有的外行星都有環(huán)。那地球為什么不能有呢？”湯姆金斯想知道，如果地球過去確實有一個行星環(huán)，我們要怎么知道呢？

海嘯和地震的激增，多余的隕石碎片（比平時多100到1000倍），以及奧陶紀期間如此多的隕石坑，都表明當時發(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，大約在研究人員認為地球有環(huán)的時候。圖片來源：Patrick Lynch/WikiMedia Commons

“問題只是它是什么，”湯姆金斯說。太空巖石確實會周期性地撞擊地球，有時甚至會留下隕石坑，但通常需要數(shù)千萬年甚至數(shù)億年才能積累21個隕石坑。然而科學家認為奧陶紀的隕石坑都是在幾千到幾十萬年的時間內(nèi)形成的。

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

詳實的研究使科學家能夠從根本上回溯大陸漂移。湯姆金斯和他的團隊利用板塊構(gòu)造重建來觀察奧陶紀流星事件中21個隕石坑形成時的位置。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。

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

沒有參與這項研究的天文學家菲爾·普萊特（Phil Plait）說，雖然這不是地球環(huán)坍縮的鐵證，但它卻是強有力的證據(jù)。他說：“從統(tǒng)計學上講，在地球環(huán)被認為存在的時期，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

進行這項研究的科學家們說，最終形成地球環(huán)的小行星碎片太靠近地球了，超過了一個被稱為羅氏極限的點，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’這個詞，它用來描述一個物體在太靠近黑洞時被拉伸和撕裂?！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，因為引力不像黑洞附近那么極端。

當一個松散聚集在一起的小物體在與行星近距離接觸時經(jīng)歷了潮汐拉伸，這種效應(yīng)就會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發(fā)生的情況。

碎片必須通過一個極其狹窄的空間區(qū)域，才能被地球引力撕碎?！暗S著時間的推移，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?，認為這種情況在地球歷史上至少發(fā)生過一次并不太牽強?！?/p>

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，但湯姆金斯仍然認為，4.66億年前的環(huán)至少是地球上的第二個環(huán)。大多數(shù)關(guān)于月球形成的理論都解釋說，它是在地球和一個火星大小的天體碰撞之后形成的，因為撞擊產(chǎn)生的碎片曾聚集在一個短命的地球環(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)果可能會大不相同。

4.66億年前，地球上的生命還主要局限于海洋。當時有一些陸地植物，但根據(jù)化石記錄，陸地動物在幾百萬年后才會進化。

小行星碎片的直接撞擊可能不會像后來的恐龍滅絕那樣造成大規(guī)模滅絕，因為它對陸地的影響比水下更極端。但我們有理由認為，地球環(huán)的形成可能極大地改變了地球上生命的進程。

受壓開裂

1994年7月，蘇梅克-列維9號彗星分裂成21個碎片，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/太空望遠鏡科學研究所/ NASA / ESA

20世紀90年代初，蘇梅克-列維9號彗星在接近木星時被撕裂，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物體撞擊一顆行星。

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

科學家們認為，當衛(wèi)星在潮汐力的壓力下被壓碎時，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)了很長時間，估計從數(shù)百萬年到數(shù)十億年不等，但它們也有一個截止日期。最終，重力會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)補充，否則光環(huán)就會消散。

寒冷期

月球背面有許多隕石撞擊留下的傷痕。科學家們正在尋找證據(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

地球的光環(huán)可能持續(xù)了數(shù)百萬年，也許它只是一個微弱的塵埃帶，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、珊瑚和當時居住在地球上的烏賊等動物的早期祖先注意。但這個環(huán)會在地球上投下陰影，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诟〉某潭壬习l(fā)生，因為地球的這個環(huán)會更小?！?/p>

借助古代巖石，科學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)的形成時間大致吻合。

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

科學家們對這次冷凍提出了幾種可能的解釋，從大陸漂移到太陽活動減弱。但也可能是一群太空碎片導致了如此劇烈和突然地地球溫度降低。雖然海洋動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，四分之三的動物因無法在更寒冷的溫度下生存而滅絕。另一個主要的溫度變化的時間是從大約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。奧陶紀生物多樣性大爆發(fā)事件發(fā)生在地球環(huán)被認為形成的同一時間。在這個關(guān)鍵時期，由于一些物種能夠適應(yīng)變化的條件或進入不同的環(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)的復雜性增加有助于穩(wěn)定地球的生物地球化學循環(huán)，這為陸地生命的繁榮鋪平了道路。因此，雖然地球環(huán)是暫時的，但它可能對地球上的生命產(chǎn)生了實質(zhì)性的、持久的影響。

奧陶紀生物多樣性大爆發(fā)事件發(fā)生在研究人員認為地球有環(huán)的時候。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)，你需要材料和機會。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)造形成機會。

“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@是個線索?！?/p>

在遠離太陽的行星帶，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)天文學家認為它形成于40億年前，但最近來自卡西尼號宇宙飛船的證據(jù)讓人認為它可能只有幾億年的歷史。科學家們認為，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/噴氣推進實驗室/空間科學研究所

再造地球環(huán)

與一顆小行星的偶然相遇，導致地球周圍形成了一個環(huán)，降低了地球溫度，加速了生物進化——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)，也很可能不會是最后一次?！?/p>

有些人甚至會想把一顆小行星推向我們的方向。如果它的軌道足夠精確，它就會分裂，并可能在地球周圍形成一個新的環(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有影響?！薄皫缀踉谝灰怪g改變?nèi)驓夂蚩赡軙o我們的生態(tài)圈帶來很多不穩(wěn)定，這可能會增加我們已經(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，全球變暖是一個我們應(yīng)該有能力解決的人為問題，在我們地球上進行未經(jīng)測試的實驗之前，我們都應(yīng)該繼續(xù)努力。

科學家們甚至不能完全確定4.66億年前的環(huán)對地球可能產(chǎn)生的影響，也不能完全確定這個環(huán)最初是否確實存在。

但是，普萊特說：“即使結(jié)果是錯的，我也喜歡這樣的假設(shè)。我們?nèi)匀粚Φ厍虻倪^去知之甚少，讓我們的想象力去探索不尋常的道路是一個很好的方式，可以開啟更多的探索，激發(fā)更多的想法。如果它是正確的，那么它為我們進行更多的研究提供了一個方向，如果不是，那么，反駁一些東西也是有價值的，因為這意味著我們所觀察到的現(xiàn)象有一個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直徑不超過30英尺（9.1米）的小行星，這個小行星太小了，無法在地球周圍形成一個環(huán)。來源:美國國家航空航天局

宇宙問題有時感覺與地球事務(wù)相去甚遠，是一個明顯不同的范疇。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化的進程。

科學研究驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新，增強科學意識?？蒲腥藛T的共同努力可以幫助我們更好地保護和維護地球上的生命，也許有一天，在其他地方也會如此。

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地球行星環(huán)

圖源：網(wǎng)絡(luò)

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