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土星被称为太阳系中一颗美丽的宝石。1610年的一个夜晚,伽利略用他发明的望远镜指向了土星。神奇的一幕发生了,平时肉眼看上去就很亮的土星,仿佛有一对明亮的大耳朵。因此伽利略推测我们看到的土星是由3颗离得很近的星体组成的。显然由于受到当时望远镜条件的限制,伽利略得出的结论是错误的。土星的“耳朵”其实就是土星环。

土星

虽然伽利略没有认识到这就是土星光环,但是他成为了观测到土星环的第一人。直到时间过去了45年之后,惠更斯才真正地认识到了土星的大耳朵其实就是围绕着土星的光环。土星光环十分美丽,它让土星成为了太阳系中的指环王,令天文学家们痴迷。随着卡西尼号抵达土星,科学家们终于看清楚了土星环的真实面目。原来土星环环环相套,有成千上万个环组成,就像一张巨大的密纹唱片环绕着土星运转。

 

土星

科学家通过观测发现,土星光环是由很多部分组成的,距离土星最近的光环称为D环,其次有由近及远依次是C环、B环、A环、G环和E环。土星环十分的宽,土星最外面的E环距离土星中心大约3到4个土星半径那么远。土星的赤道半径大约是60000公里,因此土星环的平均宽度有18万到24万公里。和地球比较一下,就知道土星环有多宽了。地球的直径大约有12000公里,因此土星环可以并排上10多个地球呢!

壮观的土星环

土星环这么宽,却十分薄!土星环最薄的地方只有几米,最厚的地方大约150公里,大多数的光环厚度只有30米左右。相比于土星环的20万公里的宽度来说,土星环几十米的厚度实在是非常的薄了。这个比例要比剃须刀片还要薄很多倍呢。土星环有多薄,可以看一下这面这张照片,就知道土星环有多薄了。只是卡西尼号在2006年3月13日飞越土星环的时候拍摄的一张照片。土星环上面是土卫一,土卫十刚好位于土星环中间,下面是土卫三。在这个角度上看土星环就像一根细线将土星一分为二,十分震撼!

 

卡西尼号拍摄的土星光环

土星环是怎么形成的呢?关于这个问题,一直都是天文学家们的热点话题。土星环的主要成分是冰占到了95%,天文学家们由此推测,可能是土星的一颗冰壳卫星和土星相撞,形成了土星环。而且这个时间仅仅发生在1千万年到几百万年前。相比于土星的形成45亿年的历史来说,土星环的形成非常的年轻。

 

近距离看土星环

在太阳系中,出土星之外,另外三颗气体行星——木星、海王星和天王星也都有光环的。木星也是有光环的,但是木星的光环是由尘埃和黑色的碎石组成的,不反光很难被观测到。木星光环比土星光环逊色多了。从这里似乎看出了一个规律,好像光环只存在于这些体积和质量庞大的气态行星中。然而有趣的是,在土星和天王星之间发现了一颗小行星,直径仅有250公里,它的周围也有两条光环。这颗小行星是目前为止太阳系中拥有光环的最小天体。

木星光环

2015年1月27日,天文学家发现了一颗太阳系外行星也拥有光环,这颗行星被命名为J1407b。J1407b距离地球420光年,它的光环直径达到了1.2亿公里,这个距离只比太阳到地球的距离1.49亿公里小了2900万公里。如果把这颗行星上的光环套在土星上,夜晚的天空就会出现一个比月亮大数倍的光环。是不是很壮观呢?
来源:百家号                      时间:
18-11-19


1997年10月15日,卡西尼号离开地球,带着人类的期冀开启了探测土星的旅程。在环绕土星13年后,于2017年9月15日,完成了自己的Grand Finale:即为了保护可能有潜在宜居性的卫星,选择坠入土星大气层。

在俯冲的过程中,卡西尼号虽然已经逐渐解体,但它的内部设备仍不忘向地球传送最后一批数据。卡西尼号科学家Spiker这样说道:“人类需要对卡西尼号13年来收集的数据进行一次全面的梳理,从而获得一个相对完整连贯的土星图景。但实际上,我们已经迫不及待想知道卡西尼号最后都发现了什么。”

 

NASA

 

 

在卡西尼号最后的俯冲中,它穿过了土星环最内环D环与土星赤道上空大气层的缝隙。卡西尼自身携带的INMS,即离子中性质谱仪,可以测量物质的组成。它探测了土星最上层大气的成分,并利用INMS设备中的CSN模式获得了对于土星大气层中性分子的测量结果。

 

土星系统整体结构 NASA

 

 

土星大气层成分预测模型 SCIENCE

 

上图展示了土星大气层成分预测结果,横轴代表气体密度,竖轴代表高度。这个预测模型沿用了土卫六的研究结果,结合卡西尼号的观测数据,修改了引力参数及其他必要的影响因素。

 

土卫六大气层 NASA

 

预测的结果显示,土星大气层密度为4.7*10-15g/cm3,由至少86%氢气,13.55%氦气和0.45%甲烷构成(图中依次用黑色粗线、红色粗线和深蓝色粗线表示)。D环最内部边缘高度在6000千米以上,大气层最高的地方也有近3500千米。随着高度降低,气压越来越高,三种气体的密度都逐渐升高,其中甲烷密度变化最快。

科学家们对于甲烷的来源比较好奇:由于甲烷比较重,不太可能从下方大气层浮到最上方大气层,所以它很来自土星环。

土星环中带有甲烷的冰飘到土星最上大气层,受到日照后融化,于是甲烷便进入土星大气层。同时,数据显示,土星环所在截面内大气层的其中一部分水、甲烷、氨、一氧化碳、二氧化碳和氮分子也来自土星的D环。

 

土星环物质成分 SCIENCE

 

在探测大气层的同时,卡西尼号的INMS也对土星环的成分进行了测量。土星环的密度为1.6*10-16g/cm3,由甲烷、二氧化碳、一氧化碳/氮、水、氨和有机物组成。难以置信的是,土星环内竟含有有机物,且含量在众物质中高居第一,为37%。有机物主要由碳水化合物组成,并且有少量的氧基和氮基,科学家预测可能有较重的芳香化合物出现(5%-10%)。其余的含量占比大约为:甲烷16%,二氧化碳0.5%,一氧化碳/氢气20%,水24%,氨2.4%。

 

在得到最终结果之前,科学家们预测,土星环内环中的物质会源源不断掉入到土星最上层大气层中,形成所谓的“土星环雨(ring rain)”。以前的预测结果大多倾向于掉入大气层的物质为氢和氦的微小颗粒。

但最新的分析结果让科学家们大吃一惊:土星环雨不仅含有氢和氦,还含有一氧化碳,甲烷,氮,少量未知有机物,以及重量级嘉宾:水冰和硅酸盐颗粒。由于这些物质在土星环内部被快速喷射出来,落入土星,因此形成土星环雨奇观。环绕着整个土星环区域内,大雨如注,每秒大约掉下9000千克物质。

此前,科学家的确没有预料到土星环雨的物质如此多样。这可能会改变我们对土星和其卫星形成与演化的理解。

 

水冰和硅酸盐颗粒的分布 SCIENCE

 

水冰和硅酸盐颗粒的分布如上图所示,蓝色代表水,橙色代表硅酸盐。土星环D环内部的区域充斥着半径为几十纳米的带电颗粒,但在仅限的几百公里狭小区域内,含有几百纳米的大颗粒,它们几乎占据了总体质量。

土星环雨的分布主要受土星磁场的影响。

由于存在土星磁场,使得土星南半球和北半球中纬度的颗粒分布显示出明显的不对称性(上图的绿色条带部分),南半球的尘埃最大分布更加密集,范围更加广。继而影响了土星雨的分布。同时,土星磁场强度和物质喷射速度互相抗衡,形成动态选择的循环效应,这也使得土星环可以长久存在下去,不会因为喷射物质过多而消失。

 

卡西尼号最后的数据证实,虽然土星的磁赤道与自转轴完美平行,但它实际上从土星本身的赤道向北偏移了约2808.5千米,这说明土星磁场南北方的不对称性。这种不对称性主要受土星内部浅层的影响。

 

土星磁场数据图 SCIENCE

 

对磁场数据的分析显示,磁场的形成除了与土星内部核心,土星深层的“发动机”活动有关以外,还可能与土星更深层的第二个未知“发动机”有关。并且第二个“发动机”效应区域在土星具有半导体性质的内部区域。(发动机效应指的是行星的旋转对流运动形成磁场)。

同时,磁场数据还揭露出一个有趣的新现象,它来源于土星磁场和土星最上层大气各风带风速差异之间的互相影响,这种影响在土星的热层之中产生涟漪状的电流。

它的工作原理如下:土星上有各种风带,赤道风带移动速度最快,从赤道往南北方的风带移动较慢。当一条条回路状的土星磁力线并排时,磁力线一端在赤道风带上,但另一端在其他的地方。赤道风由于风速较快,会猛拽在其周围的带电等离子体粒子,随后粒子的移动会扭曲磁力线。

 

土星上的大风暴 NASA

 

这些电流强度大约是20个地球陆地发电站能产生电流强度的总和。由于强度过大,电流周围的大气层都被加热了,这也许能解释关于土星热层的未解之谜——为何它的温度比预期要更高。

 

科学家们曾预测,在土星最上层大气与土星环最内环之间的赤道平面处,存在一个辐射带。这次的数据证实了辐射带的存在,并对其如何产生给出了一种解释。

 

土星辐射带 SCIENCE

 

那么,土星辐射带是如何形成的呢?

星系宇宙射线从四面八方而来撞向土星环或者土星大气,产生大量中子,中子β衰变成为光子,这些光子最后组成了辐射带。辐射带最外侧已经到特洛伊卫星的轨道,但由于土星环以及土星卫星的吸收作用被分割开来。并且由于土星环的干涉,土星光辐射带的强度明显弱于土星各层的强度。

辐射带中的光子撞向土星大气层或者土星环最内环的时候会耗尽能量,但是在辐射带外围的光子却不必担心这类碰撞。因此,外围辐射带密度更高。辐射带中光子的能量很高,从25MeV到十亿电子伏特。

将土星的辐射带与其他行星辐射带作比较,科学家可以更深入了解辐射带如何形成,如何演化。宇航员在太空中经常受到辐射威胁,研究辐射带对保证他们的安全非常重要。

巧合的是,土星的辐射带与去年朱诺号发现的木星辐射带类似,两个行星都有相对奇怪,尺寸较小但是非常类似的辐射带,虽然前者密度较低。

 

卡西尼号 NASA

 

虽然卡西尼号已经离开我们将近一年时间,但作为它最后的Grand Finale还远未结束。可以预见的是,通过对数据的一系列分析和研究,将来还会有更多关于土星的新发现。

卡西尼号在13年的长途旅行后,带给我们最后的一点数据也如此激动人心。

这正是其伟大所在。

 

GOOGLE

 

参考文献:

1. DOI:10.1126/science.aat2382

2. DOI:10.1126/science.aat3185

3. DOI:10.1126/science.aat5434

4. DOI:10.1126/science.aat1962

5.https://www.nature.com/articles/d41586-018-06925-w

6.https://www.space.com/42022-cassini-saturn-finale-ring-rain-surprises.html

作者:春收冬藏,审核:蛋蛋
来源:百家号                   时间:
18-10-11

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