土星光環(huán)并非從來就有

潤語

土星的光環(huán)是這顆氣態(tài)巨行星最顯眼的特征，但它究竟是什么時候開始形成的？一項最新研究認為，土星光環(huán)的“生日”可能和恐龍的時代差不多，甚至有可能其產(chǎn)生的時間要比恐龍時代更晚。

土星光環(huán)的年齡一直充滿爭議

關(guān)于土星光環(huán)的年齡問題在學術(shù)界一直充滿爭議。一些研究者認為土星的光環(huán)大約在45億年前土星最初誕生時就一同形成了，因為當時的太陽系內(nèi)充滿著各種細小的碎冰塊。但也有研究人員對此并不贊同，他們猜測土星光環(huán)要更加年輕，或許是土星的引力撕裂了一顆剛好路過的彗星或者它自身的一顆冰凍衛(wèi)星之后產(chǎn)生的。

要想斷這個案，有一條可行的思路，那就是對土星光環(huán)進行稱重，稱一稱構(gòu)成土星光環(huán)的物質(zhì)加在一起究竟有多少。我們已經(jīng)知曉，構(gòu)成土星光環(huán)的物質(zhì)都是明亮的固態(tài)水冰，但隨著時間推移，這些原本晶瑩剔透的水冰顆粒會逐漸遭受“空間風化”并沾染上暗黑色的空間塵埃，因而逐漸失去光澤，變得暗淡。如果我們可以知道究竟有多少物質(zhì)構(gòu)成了土星的光環(huán)，再看一下其中大約有多少百分比的物質(zhì)已經(jīng)變得暗淡，結(jié)合變黑的普遍速度模型，我們不就可以大致估算土星光環(huán)的年齡了嗎？

可是這個方法的最大挑戰(zhàn)在于：我們該怎么給光環(huán)稱重？

給土星光環(huán)“稱重”

沒錯，這是這一方法面對的最大問題。在此之前，正在土星運行的卡西尼飛船已經(jīng)確認，土星光環(huán)物質(zhì)中，僅有大約1%的成分遭受了“污染”。而現(xiàn)在，由卡西尼飛船項目組成員、意大利羅馬大學教授盧西亞諾·艾斯領(lǐng)導的一個研究組巧妙地測算出了土星光環(huán)的質(zhì)量，他們的相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在美國《科學》雜志上，艾斯本人是論文第一作者。

我們來看一看，他們是怎么做到的。

艾斯團隊工作的基礎(chǔ)是美國和歐洲聯(lián)合執(zhí)行的“卡西尼一惠更斯”土星探測器的數(shù)據(jù)。這艘探測器在2004年至2017年間，整整13年時間都在圍繞土星運行，是人類發(fā)射的第一顆專門土星系探測器。2017年9月份，由于燃料將耗盡，在地面引導下，卡西尼飛船以“自殺式”姿態(tài)沖人土星大氣層解體焚毀，從而結(jié)束這場使命。當時美國宇航局將這一壯舉稱作“壯麗終章”。

但在結(jié)束自己的使命之前，卡西尼探測器還為科學做出了最后，也是無可替代的貢獻——它在地面的精心引導下，先后22次沖人土星與其最內(nèi)側(cè)光環(huán)之間的狹小縫隙，以前所未有的近距離對土星高層大氣外側(cè)邊緣和光環(huán)內(nèi)側(cè)區(qū)域環(huán)境進行了探測。

但從這個區(qū)域穿越還有其他無法忽略的重大意義：簡單來說，此前卡西尼飛船運行的軌道是在土星光環(huán)之外，此時它感受到的土星引力場其實是土星質(zhì)量和它的光環(huán)共同產(chǎn)生的。但當卡西尼從兩者之間穿越而過時，情況發(fā)生了變化，土星和其光環(huán)產(chǎn)生的引力場開始相互“拉扯”，通過這種“拉扯”，研究人員可以解算出土星及其光環(huán)兩者各自的質(zhì)量大小，當然也就完成了對土星光環(huán)的“稱重”！

在卡西尼飛船執(zhí)行的其中6次穿越土星一光環(huán)中間區(qū)域飛行期間，科學家們對卡西尼飛船與地球之間的無線電通訊聯(lián)絡(luò)信號進行了分析，此時飛船距離土星云層頂部大約在2600公里至3900公里之間。由于飛船與地球之間的相對運動關(guān)系，無線電信號會表現(xiàn)出多普勒效應。這就有點像是你在馬路邊看到一輛遠遠駛來，然后從你面前呼嘯而過的救護車：你會注意到，當救護車向你靠近時，它的警笛聲變得愈發(fā)尖銳，而當車輛逐漸遠離你時，它的警笛聲變得愈發(fā)低沉。這是因為你和救護車之間相互接近時，聲波波長被壓縮，聲音變得尖銳;反之，聲波波長被拉升，聲音變得低沉。同樣的道理，無線電波也會表現(xiàn)出這種多普勒效應。

但這樣的效應是很微弱的，你需要極高的測量精度。正如艾斯對媒體所表示的那樣：“我自己也很震驚，我們竟然能夠做到對一艘遠在13億公里外的飛船的速度做如此精確的測定，誤差達到毫米級?！?/p>

此前也有探測器做過相似的研究，但精度要低得多。比如上世紀70年代美國宇航局的“旅行者”探測器測定的結(jié)果是土星光環(huán)質(zhì)量大約是2.8億億噸，而此次根據(jù)卡西尼飛船數(shù)據(jù)得到的最新估算結(jié)果則是大約1.54億億噸，相比之下，最大的小行星谷神星（現(xiàn)在已經(jīng)升級為矮行星）的質(zhì)量大約是93.9億億噸。

土星光環(huán)大致形成于恐龍時代

總之，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，結(jié)合純凈水冰變暗的速度模型，研究組得到的結(jié)論是：土星光環(huán)大致形成于1000萬至1億年前，更加通俗的說法就是：土星光環(huán)大致形成于恐龍時代，甚至更晚——要知道，恐龍時代在大約6500萬年前的白堊紀末期就結(jié)束了。

除此之外，作者還在論文中提到了更多內(nèi)容，包括基于卡西尼最后階段的高精度引力場數(shù)據(jù)估算的土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。比如土星赤道附近存在的高速噴流——我們此前已經(jīng)知道其風速達到驚人的每小時1500公里，相比之下，地球上12級臺風的中心附近最大風速大約是126公里川、時，而此次研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)這股氣流從土星大氣表層向下，至少要延伸到土星內(nèi)部9000公里以上。這股巨大的氣流圍繞土星快速轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動速度要比下方的圈層快出大約4%左右。

美國宇航局噴氣推進實驗室的卡西尼項目科學家琳達-斯皮爾克評論道：“關(guān)于土星深層內(nèi)部環(huán)流的發(fā)現(xiàn)是對于土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)理論模型的一次重要改革?，F(xiàn)在的問題在于，是什么力量導致這一外部快速轉(zhuǎn)動圈層可以深入到如此巨大的深度上？而這對于土星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成又意味著什么？”

除此之外，研究團隊還在論文中提到，最新數(shù)據(jù)推算顯示，土星的巖石內(nèi)核質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的15～18倍。這與此前的估算結(jié)果大致相同。

土星環(huán)正在消失

然而，發(fā)表在新一期美國行星科學期刊《伊卡洛斯》上的一項研究說，土星的引力正在將這些顆粒吸入上層大氣，僅這種作用就會讓土星環(huán)在3億年后消失。如果將美國土星探測器“卡西尼”號此前發(fā)現(xiàn)的落向土星赤道的“環(huán)雨”考慮在內(nèi)，土星環(huán)不到1億年后就會消失。此前，美國《科學》雜志發(fā)表了“卡西尼”號對土星環(huán)與行星相互作用的近距離觀測結(jié)果，顯示土星環(huán)內(nèi)部的粒子等物質(zhì)直接墜入土星大氣層。

研究人員稱，土星環(huán)主要由大小從微米到米不等的水冰顆粒組成，顆粒的軌道速度本來與土星引力維持在平衡狀態(tài)，但來自太陽的紫外光或宇宙流星塵轟擊導致的等離子云大幅改變了這種平衡，讓顆粒掉落下去。研究人員說，土星環(huán)正處于“中年”，現(xiàn)在能看到它很幸運，木星、天王星和海王星可能曾經(jīng)也有這種環(huán)，但現(xiàn)在已經(jīng)不明顯了。