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翻译：酥油饼

校对：孙宇峰

审核：牧夫天文校对组

美编：苏奕月

后台：李子琦

https://sorae.info/astronomy/20240924-earth-ancient-ring.html

太阳系的多个天体都有着“环”。此外，虽然有一些天体的环现在已经消失了，但据推测它们过去曾拥有过。那么，我们居住的地球周围是否曾经存在过现在已经消失的环呢?

莫纳斯大学的Andrew G. Tomkins,Erin L. Martin,Peter A.Cawood的研究小组从“奥陶纪”中期到之后约4000万年的时间里形成的21个陨石坑的分布(位于赤道附近)，推测距今约4亿6600万年前的地球周围可能存在环。

三人还推测，当时地球上发生的大规模气候变化的原因是由于环带的影响而引起的日照量的变化。奥陶纪伴随着气候的变化出现了生物多样化，并在其末期发生了地球史上第二大规模的物种灭绝。生物的进化和灭绝可能受到环的影响，这是一个有趣的结论。

▲图1：根据艺术家的想象所描绘的，过去地球周围存在的环的想象图

Credit: Oliver Hull

过去的地球有环吗?

自1610年伽利略·伽利莱发现土星环以来(※1)，我们在太阳系的多个天体上都发现了环。其中，在直径只有250千米的小行星10199“卡里克罗”这样的小天体上也发现了其现有的环(※2)。另外，像“火星”和土星的卫星“土卫八”等，虽然现在没有环，但也发现了过去有环的可能性。

此外，也有研究表明土星的土星环也有可能是在过去的4亿年内形成的，相比46亿年的太阳系历史，这个存续时间短的有点出人意料。考虑到这样的背景情况，我们居住的“地球”即使在过去的一段时间里存在环也不足为奇。

莫纳什大学的Tomkins以及他的同事们组成的三人研究小组，表示在“奥陶纪”(4亿8540万~ 4亿4380万年前)的中期，约4亿6600万年前，很有可能是地球上存在环的时期。在此之后约 4000 万年的时间里，地层中出现了“奥陶纪撞击峰”——天体撞击的痕迹，如陨石碎片和海啸沉积物，遍布世界各地。这被于此4000万年中形成的多个陨石坑所证实。

一般来说，我们认为这种天体碰撞的剧增是由于大量天体脱离小行星带轨道，在短时间内集中发生碰撞。但是在这种情况下，月球和火星在同一时代并没有发现类似的天体撞击剧增，这成了一个很大的谜团。从太阳系的尺度来看，月球和火星距离地球很近，可以说它们就在地球的旁边，如果大量的天体在短时间内集中侵入太阳系内侧的话，那么应该和地球一样发生大量天体碰撞，这种矛盾引起了我们的关注。

即使接近地球的天体只有1个，也有可能形成众多的陨石坑。有一定大小的天体，一旦进入地球附近的“洛希极限”，就会被潮汐力撕裂(※3)。支离破碎的天体散落在各处，看起来就像发生了多次天体碰撞。但是，像这样破碎的碎片撞击，通常会相当短的时间内发生(※4)。碰撞时间跨度长达4000万年是很难想象的(※5)。

三人为了解决这些问题，探讨了这个时代存在环的可能性。如果天体接近地球的方向恰到好处，虽然它在洛希极限处碎裂，但碎裂的碎片成为了环绕地球的环。由于构成环的天体不会马上陨落，所以可能需要花费4000万年的时间。

集中在赤道附近的陨石坑可能是环的证据

▲图2:此次作为分析对象的21个撞击坑的位置考虑了当时的大陆的分布情况，上图为分析地图。从图中可以看出，各种撞击坑的位置都在赤道附近30度的范围内。

Credit: Andrew G. Tomkins, Erin L. Martin & Peter A. Cawood

研究小组的三人认为陨石坑的分布可能是环存在的证据，并进行了研究。从力学的性质来看，环存在于赤道附近。如果天体从环中一点一点地坠落撞击地表，撞击坑应该集中在赤道附近。通常天体撞击地球的地点则几乎没有偏差，所以应该不会集中在赤道。

三人调查了被认为是奥陶纪撞击峰时期形成的数十个撞击坑中，受侵蚀和地壳变动等影响相对较小且年代明确的21个撞击坑的分布，且考虑了当时大陆的位置。结果显示，几乎所有的陨石坑都在距赤道30度的纬度范围内，最远的也就在南纬39度。

据推测，来自小行星带的不同天体的碰撞，像这次一样集中在赤道附近的偶然事件发生的概率大约在2500万分之一以下。考虑到从这个时代的地层中发现的陨石碎片的成分几乎仅限于一种组成，三人认为，奥陶纪碰撞尖峰可能不是单独的天体碰撞，而是一个天体达到洛希极限后破碎，暂时形成环状并在之后逐渐坠落。

此次研究表明，地球在约4亿6600万年前至4000万年间，在距离地表不到1万5800千米的高度上有一个环。据推测，成为环的天体，如果是没有缝隙的块状天体，直径在10.5 km以上，如果是有缝隙的碎石堆天体，直径则在12.5 km以上。

另外，如后文所述，这个时代发生了大规模的寒冷化，冰川蔓延到赤道附近。由于冰川会融化消失，天体与冰川的撞击有可能不会在之后的时代留下痕迹。但是研究小组认为，考虑到有些陨石坑形成于冰川形成之前的时代，冰川蔓延地区的陨石坑也保存完好，冰川对陨石坑的形成影响不大。

环导致了生物的多样化和大灭绝?

研究小组的三人认为，如果地球上有环的话，可能会对地球的气候造成影响。环反射日光，投下阴影，因此夏季一侧日照量增加，冬季一侧日照量减少。另外，脱离环的天体会坠落、碰撞，将尘埃散布到大气中。由此，地球整体趋向寒冷化。

在奥陶纪，地球的平均气温下降了约8℃，发生了历史上最大级别的寒冷化事件“赫南特期”。但是，当时大气中的二氧化碳浓度很高，在温暖化的条件都具备的情况下寒冷化是一个很大的谜。如果环遮挡了阳光是寒冷化的主要原因的话，二氧化碳浓度的矛盾也能得到说明。然后环经过4000万年之后消失，阳光也不再受阻隔的话，地球就会变暖。因为环的消失和变暖的时期是重合的，所以对此也有解释。

在奥陶纪，生物多样性显著增加，植物向陆地进军，在奥陶纪末期，海洋生物种类的85%灭绝，发生了历史上第二大规模的灭绝。这些都可以认为是急剧的气候变化促进了生物的适应，或者导致了不能适应的生物的灭绝。这次的研究表明，奥陶纪末大灭绝的原因是地球的环。研究小组认为，通过更详细地调查对气候的影响，可以验证这次提出的可能性是否妥当。

不过，这样的地球环在其它时代也存在吗？为了形成环，天体不仅要进入洛希极限，还需要以特定的速度和角度进入，才能被地球作为临时卫星捕获。因为满足这样的条件的可能性非常低(※6)，地球的环被认为是相当罕见的。研究小组认为，从5亿3880万年前到现在(生物大型化和多样化发展的显生代期间)，同样规模的地球环只发生过奥陶纪的这一次。

注释：

※1…但是以伽利略的望远镜的性能不能认识到是环，表现为一颗星的两侧有两颗星像耳朵一样贴在一起。1655年，克里斯蒂安·惠更斯用更高精度的望远镜观测土星，报告土星的耳朵实际上是土星环。

※2…直径约117千米的小行星及彗星“喀戎”也被认为有环，但与其他小行星的环相比，发现尚不确定。

※3…一个天体受到来自另一个天体的引力时，离天体近的一侧比离天体远的一侧受到的引力更强。这种力差产生的“潮汐力”会使天体变形。潮汐力强到天体自身无法保持形状时，被撕裂成碎片的区域被称为“洛希极限”。

※4……例如，1994年撞击木星的“舒梅克-列维9号彗星”，其分裂的碎片全部撞击到木星只用了6天时间。

※5…虽然这个4000万年的数值多少有些争议的余地，但不管怎样，在极短的时间内缩短的可能性是不存在的。

※6…据推测，不管是否进入洛希极限，天体进入地球引力圈(希尔球)，作为临时卫星被捕获的概率，1千米以上的天体大约1000万年才有一次。考虑到此次研究推测出的天体直径在10千米以上，可以预测进入洛希极限的天体数量将非常少。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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图源：网络

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