我们该如何给土星光环称重?

来源:新浪科技发布时间:2019-01-23

根据卡西尼飞船数据得到的最新估算结果,土星光环大约1.54亿亿吨。

我们该如何给土星光环称重?

土星的光环是这颗气态巨行星最显眼的特征,但它究竟是什么时候开始形成的?一项最新研究认为,土星光环的年龄可能和恐龙的时代差不多,甚至有可能其产生的时间要比恐龙时代更晚。

关于土星光环的年龄问题在学术界一直充满争议。一些研究者认为土星的光环在土星大约在45亿年前最初诞生时就一同形成了,因为当时的太阳系内充满着各种细小的碎冰块。但也有研究人员对此并不赞同,他们猜测土星光环要更加年轻,或许是土星的引力撕裂了一颗刚好路过的彗星或者它自身的一颗冰冻卫星之后产生的。

要想断这个案,有一条可行的思路,那就是对土星光环进行称重,称一称构成土星光环的物质加在一起究竟有多少。我们已经知晓,构成土星光环的物质都是明亮的固态水冰,但随着时间推移,这些原本晶莹剔透的水冰颗粒会逐渐遭受“空间风化”并沾染上暗黑色的空间尘埃,因而逐渐失去光泽,变得暗淡。而如果我们可以知道究竟有多少物质构成了土星的光环,再看一下其中大约有多少百分比的物质已经变的暗淡了,结合变黑的普遍速度模型,我们不就可以大致估算土星光环的年龄了吗?

可是这个方法的最大挑战在于:我们该怎么给光环称重?

我们该如何给土星光环称重?

这项最新研究工作的基础是美国和欧洲联合执行的“卡西尼-惠更斯”土星探测器的数据。这艘探测器在2004年至2017年间,整整13年时间都在围绕土星运行,是人类发射的第一颗专门土星系探测器

给土星光环“称重”

没错,这是这一方法面对的最大问题。在此之前,正在土星运行的卡西尼飞船已经确认,土星光环物质中,仅有大约1%的成分遭受了“污染”。而现在,由卡西尼飞船项目组成员,意大利罗马大学教授卢西亚诺·艾斯(Luciano Iess)领导的一个研究组巧妙地测算出了土星光环的质量,他们的相关研究已经发表在1月17日出版的美国《科学》杂志上,艾斯本人是论文第一作者。

我们来看一看,他们是怎么做到的?

艾斯团队工作的基础是美国和欧洲联合执行的“卡西尼-惠更斯”土星探测器的数据。这艘探测器在2004年至2017年间,整整13年时间都在围绕土星运行,是人类发射的第一颗专门土星系探测器。2017年9月份,由于燃料接近耗尽,在地面引导下,卡西尼飞船以“自杀式”姿态冲入土星大气层解体焚毁,从而结束这场使命。当时美国宇航局将这一壮举称作“壮丽终章”(the Grand Finale)。

但在结束自己的使命之前,卡西尼探测器还为科学做出了最后,也是无可替代的贡献——它在地面的精心引导下,先后22次冲入土星与其最内侧光环之间的狭小缝隙,以前所未有的近距离对土星高层大气外侧边缘和光环内侧区域环境进行了探测。

但从这个区域穿越还有其他无法忽略的重大意义:简单来说,此前卡西尼飞船运行的轨道是在土星光环之外,此时它感受到的土星引力场其实是土星质量和它的光环共同产生的。但当卡西尼从两者之间穿越而过时,情况发生了变化,土星和其光环的产生的引力场开始相互“拉扯”,通过这种“拉扯”,研究人员可以解算出土星及其光环两者分别的质量大小,当然也就完成了对土星光环的“称重”!

在卡西尼飞船执行的其中6次穿越土星-光环中间区域飞行期间,科学家们对卡西尼飞船与地球之间的无线电通讯联络信号进行了分析,此时飞船距离土星云层顶部大约在2600公里至3900公里之间。由于飞船与地球之间的相对运动关系,无线电信号会表现出多普勒效应。这就有点像是你在马路边看到一辆远远驶来,然后从你面前呼啸而过的救护车:你会注意到,当救护车向你靠近时,它的警笛声变得愈发尖锐,而当车辆逐渐远离你时,它的警笛声变得愈发低沉。这是因为你和救护车之间相互接近时,声波波长被压缩,声音变得尖锐,反之,声波波长被拉升,声音变得低沉。同样的道理,无线电波也会表现出这种多普勒效应。

但这样的效应是很微弱的,你需要极高的测量精度。正如艾斯对媒体所表示的那样:“我自己也很震惊,我们竟然能够做到对一艘远在13亿公里外的飞船的速度做如此精确的测定,误差达到毫米级。”

此前也有探测器做过相似的研究,但精度要低得多。比如上世纪70年代美国宇航局的“旅行者”探测器测定的结果是土星光环质量大约是2.8亿亿吨,而此次根据卡西尼飞船数据得到的最新估算结果则是大约1.54亿亿吨,相比之下,最大的小行星谷神星(现在已经升级为矮行星)的质量大约是93.9亿亿吨。

总之一句,根据这些数据,结合纯净水冰变暗的速度模型,研究组得到的结论是:土星光环大致形成于1000万至1亿年前,翻译成更加通俗的语言就是:土星光环大致形成于恐龙时代,甚至更晚——要知道,恐龙时代在大约6500万年前的白垩纪末期就结束了。

更多关于土星的发现

除此之外,作者还在论文中提到了更多内容,包括基于卡西尼最后阶段的高精度引力场数据估算的土星内部结构。比如土星赤道附近存在的高速喷流——我们此前已经知道其风速达到惊人的每小时1500公里,相比之下,地球上12级台风的中心附近最大风速大约是126公里/小时,而此次研究团队进一步发现这股气流从土星大气表层向下,至少要延伸到土星内部9000公里以上。这股巨大的气流围绕土星快速转动,其转动速度要比下方的圈层快出大约4%左右。

美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的卡西尼项目科学家琳达·斯皮尔克(Linda Spilker)评论道:“关于土星深层内部环流的发现时对于土星内部结构理论模型的一次重要改革。现在的问题在于,是什么力量导致这一外部快速转动圈层可以深入到如此巨大的深度上?而这对于土星的内部结构形成又意味着什么?”

除此之外,研究团队还在论文中提到,最新数据推算显示,土星的岩石内核质量大约是地球质量的15~18倍。这与此前的估算结果大致相同。

扫码加蝌蚪五线谱微信