尽管我们未能亲眼目睹我们自己太阳系的诞生，但天文学家们根据对我们当今家园以及围绕其他恒星形成中的幼年行星的观测，已经对它可能发生的演化过程有了相对充分的了解。但偶尔，一些事物会给我们的理论带来挑战，而这可能刚刚发生——研究人员发现了土星及其卫星的一些令人惊讶的新特性，这与我们目前对太阳系形成的模型相悖。
在一篇已于 11 月 28 日被《Icarus》杂志录用的论文中，来自行星科学研究所、亚利桑那大学、美国国家航空航天局艾姆斯研究中心以及美国地质勘探局的研究人员报告了他们对土星系统中同位素比例的测量结果。同位素是同一元素的原子，具有相同的质子和电子数量，但中子数量不同。研究某些同位素的丰度有助于天文学家拼凑出天体的历史。一些同位素在行星形成时期的太阳星云的特定区域中，其含量可能更多或更少；其他同位素在加热或蒸发等过程后，更容易保留下来或出现。这些研究人员发现，基于卡西尼号对土星系统的光谱观测，土星环和卫星中的水出乎意料地与地球上的水相似——鉴于它们位置的差异，这是一个令人意外的结果。更奇怪的是，土星卫星泰坦（Phoebe）上的水（并且仅泰坦）与土星系统中其他的水不同，这表明它可能形成于比土星更远的太阳星云中，而不是在环状行星周围就地形成。
类似地球的水
为了取得这些发现，该团队开发了一种新的方法来测量卡西尼号可见光和红外测绘光谱仪 (VIMS) 读数中的同位素丰度。特别是，他们研究了土星系统中水中的氘与氢 (D/H) 的比例。氘是氢的一种同位素，其原子核中有一个质子和一个中子；D2O，即含有氘而非氢的水，由于额外中子带来的额外质量，通常被称为重水。
VIMS 拍摄的每个光谱都将从土星表面、其行星环或其卫星反射的光分解成其组成部分，以识别其中所含元素的“指纹”。通过比较实验室光谱与 VIMS 的结果，该团队发现土星系统大部分的水，包括行星环和卫星（除泰坦外）上的水，其 D/H 比例与地球水相似。然而，我们目前对太阳系形成的模型认为，太阳系外围的 D/H 比例应该高于内部；如果地球形成于靠近太阳的地方，而土星形成于远离太阳的地方，为什么它们的水如此相似？
根据该团队的说法，这种相似性表明在太阳系形成过程中，内外太阳系可能存在相同类型的水源，这将迫使我们修改当前的模型。论文中写道：“土星环和卫星与地球相似的 D/H 比例可能表明，内太阳系和外太阳系的水源相似，或者至少改变了 D/H 在内太阳系和外太阳系之间差异不大的模型，即从地球到土星的差异小于两倍。”
一个特例
土星的卫星泰坦似乎是该系统中的特例；它可能不是就地形成的，而是在太阳系更远的地方形成后被捕获的。（来源：NASA/JPL）
美国宇航局/喷气推进实验室
土星的卫星泰坦似乎是该系统中的特例；它可能不是就地形成的，而是在太阳系更远的地方形成后被捕获的。（来源：NASA/JPL）
论文的第一作者、行星科学研究所的 Roger Clark 在一份新闻稿中表示，在泰坦上，D/H 比例“是迄今为止在太阳系中测得的最高值，这表明它起源于比土星远得多的寒冷的太阳系外围”。换句话说，泰坦很可能是在别处形成的，离太阳更远，后来通过引力捕获成为土星系统的一部分。
论文称，泰坦拥有如此高的 D/H 比例的唯一其他方式是，经过一些过程在其当前的氘供应量上随时间进行了增强。然而，论文指出，这些过程“[要求] 泰坦目前具有与主要由岩石和有机物组成的物体相似的特征，而这并非我们所观察到的。”
过多的氘并不是使泰坦与众不同的唯一原因。除了测量 D/H 比例外，研究人员还能够在泰坦和伊阿珀托斯（是唯二拥有足够二氧化碳进行测量的天体）的二氧化碳中测量另一个同位素比例——碳-13 (13C) 与碳-12 (12C) 的比例。虽然伊阿珀托斯的 13C/12C 比例与地球非常接近，但泰坦的比例也存在偏差，显示出比“正常”的 12C 多五倍的 13C。这一奇怪之处也指向了这颗小卫星在太阳系更远地方的起源，并且在两个卫星上导致二氧化碳形成的过程不同。值得注意的是，尽管已知泰坦的尘埃会覆盖伊阿珀托斯的前导侧，但论文写道，“如果从泰坦喷出的泰坦尘埃中有任何二氧化碳，那么它在从泰坦到伊阿珀托斯的传播过程中显然已经丢失了。”
那么，天文学家们如何处理这些意想不到的信息呢？除了可能更新太阳系形成模型以更准确地反映现实之外，测量太阳系更远处的同位素比例可以加强泰坦起源于遥远地方的论点，并更清晰地描绘出早期太阳星云中氢、碳和其他元素（及其同位素）的分布。“需要对木星、天王星和海王星的冰卫星进行 D/H 测量，以显示太阳系中更大的趋势，”论文中写道，“但此类测量只能在地球大气层上方进行。”
幸运的是，凭借我们现有和即将推出的太空望远镜和遥测任务——包括 Clark 作为联合研究员的欧罗巴快帆号——这些测量可能很快就会成为现实。
