北京時(shí)間1月21日消息，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(shí)候開(kāi)始形成的？一項(xiàng)最新研究認(rèn)為，土星光環(huán)的年齡可能和恐龍的時(shí)代差不多，甚至有可能其產(chǎn)生的時(shí)間要比恐龍時(shí)代更晚。
關(guān)于土星光環(huán)的年齡問(wèn)題在學(xué)術(shù)界一直充滿爭(zhēng)議。一些研究者認(rèn)為土星的光環(huán)在土星大約在45億年前最初誕生時(shí)就一同形成了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的太陽(yáng)系內(nèi)充滿著各種細(xì)小的碎冰塊。但也有研究人員對(duì)此并不贊同，他們猜測(cè)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(guò)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(gè)案，有一條可行的思路，那就是對(duì)土星光環(huán)進(jìn)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(shí)間推移，這些原本晶瑩剔透的水冰顆粒會(huì)逐漸遭受“空間風(fēng)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。而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)變的暗淡了，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(gè)方法的最大挑戰(zhàn)在于：我們?cè)撛趺唇o光環(huán)稱重？
這項(xiàng)最新研究工作的基礎(chǔ)是美國(guó)和歐洲聯(lián)合執(zhí)行的“卡西尼-惠更斯”土星探測(cè)器的數(shù)據(jù)。這艘探測(cè)器在2004年至2017年間，整整13年時(shí)間都在圍繞土星運(yùn)行，是人類(lèi)發(fā)射的第一顆專(zhuān)門(mén)土星系探測(cè)器
給土星光環(huán)“稱重”
沒(méi)錯(cuò)，這是這一方法面對(duì)的最大問(wèn)題。在此之前，正在土星運(yùn)行的卡西尼飛船已經(jīng)確認(rèn)，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(xiàng)目組成員，意大利羅馬大學(xué)教授盧西亞諾·艾斯（Luciano Iess）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究組巧妙地測(cè)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1月17日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志上，艾斯本人是論文第一作者。
我們來(lái)看一看，他們是怎么做到的？
艾斯團(tuán)隊(duì)工作的基礎(chǔ)是美國(guó)和歐洲聯(lián)合執(zhí)行的“卡西尼-惠更斯”土星探測(cè)器的數(shù)據(jù)。這艘探測(cè)器在2004年至2017年間，整整13年時(shí)間都在圍繞土星運(yùn)行，是人類(lèi)發(fā)射的第一顆專(zhuān)門(mén)土星系探測(cè)器。2017年9月份，由于燃料接近耗盡，在地面引導(dǎo)下，卡西尼飛船以“自殺式”姿態(tài)沖入土星大氣層解體焚毀，從而結(jié)束這場(chǎng)使命。當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局將這一壯舉稱作“壯麗終章”（the Grand Finale）。
但在結(jié)束自己的使命之前，卡西尼探測(cè)器還為科學(xué)做出了最后，也是無(wú)可替代的貢獻(xiàn)——它在地面的精心引導(dǎo)下，先后22次沖入土星與其最內(nèi)側(cè)光環(huán)之間的狹小縫隙，以前所未有的近距離對(duì)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(jìn)行了探測(cè)。
但從這個(gè)區(qū)域穿越還有其他無(wú)法忽略的重大意義：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，此前卡西尼飛船運(yùn)行的軌道是在土星光環(huán)之外，此時(shí)它感受到的土星引力場(chǎng)其實(shí)是土星質(zhì)量和它的光環(huán)共同產(chǎn)生的。但當(dāng)卡西尼從兩者之間穿越而過(guò)時(shí)，情況發(fā)生了變化，土星和其光環(huán)的產(chǎn)生的引力場(chǎng)開(kāi)始相互“拉扯”，通過(guò)這種“拉扯”，研究人員可以解算出土星及其光環(huán)兩者分別的質(zhì)量大小，當(dāng)然也就完成了對(duì)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-光環(huán)中間區(qū)域飛行期間，科學(xué)家們對(duì)卡西尼飛船與地球之間的無(wú)線電通訊聯(lián)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行了分析，此時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，無(wú)線電信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出多普勒效應(yīng)。這就有點(diǎn)像是你在馬路邊看到一輛遠(yuǎn)遠(yuǎn)駛來(lái)，然后從你面前呼嘯而過(guò)的救護(hù)車(chē)：你會(huì)注意到，當(dāng)救護(hù)車(chē)向你靠近時(shí)，它的警笛聲變得愈發(fā)尖銳，而當(dāng)車(chē)輛逐漸遠(yuǎn)離你時(shí)，它的警笛聲變得愈發(fā)低沉。這是因?yàn)槟愫途茸o(hù)車(chē)之間相互接近時(shí)，聲波波長(zhǎng)被壓縮，聲音變得尖銳，反之，聲波波長(zhǎng)被拉升，聲音變得低沉。同樣的道理，無(wú)線電波也會(huì)表現(xiàn)出這種多普勒效應(yīng)。
但這樣的效應(yīng)是很微弱的，你需要極高的測(cè)量精度。正如艾斯對(duì)媒體所表示的那樣：“我自己也很震驚，我們竟然能夠做到對(duì)一艘遠(yuǎn)在13億公里外的飛船的速度做如此精確的測(cè)定，誤差達(dá)到毫米級(jí)?！?/p>
此前也有探測(cè)器做過(guò)相似的研究，但精度要低得多。比如上世紀(jì)70年代美國(guó)宇航局的“旅行者”探測(cè)器測(cè)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(jí)為矮行星）的質(zhì)量大約是93.9億億噸。
總之一句，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(wàn)至1億年前，翻譯成更加通俗的語(yǔ)言就是：土星光環(huán)大致形成于恐龍時(shí)代，甚至更晚——要知道，恐龍時(shí)代在大約6500萬(wàn)年前的白堊紀(jì)末期就結(jié)束了。
2017年9月份，由于燃料接近耗盡，在地面引導(dǎo)下，卡西尼飛船以“自殺式”姿態(tài)沖入土星大氣層解體焚毀，從而結(jié)束這場(chǎng)使命。當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局將這一壯舉稱作“壯麗終章”（the Grand Finale）
更多關(guān)于土星的發(fā)現(xiàn)
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(chǎng)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(fēng)速達(dá)到驚人的每小時(shí)1500公里，相比之下，地球上12級(jí)臺(tái)風(fēng)的中心附近最大風(fēng)速大約是126公里/小時(shí)，而此次研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度要比下方的圈層快出大約4%左右。
美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的卡西尼項(xiàng)目科學(xué)家琳達(dá)·斯皮爾克（Linda Spilker）評(píng)論道：“關(guān)于土星深層內(nèi)部環(huán)流的發(fā)現(xiàn)時(shí)對(duì)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(wèn)題在于，是什么力量導(dǎo)致這一外部快速轉(zhuǎn)動(dòng)圈層可以深入到如此巨大的深度上？而這對(duì)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(tuán)隊(duì)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。
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