北京時間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，但它究竟是什么時候開始形成的？一項最新研究認(rèn)為，土星光環(huán)的年齡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。
關(guān)于土星光環(huán)的年齡問題在學(xué)術(shù)界一直充滿爭議。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就一同形成了，因為當(dāng)時的太陽系內(nèi)充滿著各種細(xì)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(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，但隨著時間推移，這些原本晶瑩剔透的水冰顆粒會逐漸遭受“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？
可是這個方法的最大挑戰(zhàn)在于：我們該怎么給光環(huán)稱重？
這項最新研究工作的基礎(chǔ)是美國和歐洲聯(lián)合執(zhí)行的“卡西尼-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
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(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1月17日出版的美國《科學(xué)》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-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)束這場使命。當(dāng)時美國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，卡西尼探測器還為科學(xué)做出了最后，也是無可替代的貢獻(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。
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(dāng)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)的產(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)兩者分別的質(zhì)量大小，當(dāng)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-光環(huán)中間區(qū)域飛行期間，科學(xué)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(jìn)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(yīng)。這就有點像是你在馬路邊看到一輛遠(yuǎn)遠(yuǎn)駛來，然后從你面前呼嘯而過的救護車：你會注意到，當(dāng)救護車向你靠近時，它的警笛聲變得愈發(fā)尖銳，而當(dāng)車輛逐漸遠(yuǎn)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(yīng)。
但這樣的效應(yīng)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(yuǎn)在13億公里外的飛船的速度做如此精確的測定，誤差達(dá)到毫米級。”
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(jì)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。
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1000萬至1億年前，翻譯成更加通俗的語言就是：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(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)束這場使命。當(dāng)時美國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1500公里，相比之下，地球上12級臺風(fēng)的中心附近最大風(fēng)速大約是126公里/小時，而此次研究團隊進(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，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(jìn)實驗室（JPL）的卡西尼項目科學(xué)家琳達(dá)·斯皮爾克（Linda Spilker）評論道：“關(guān)于土星深層內(nèi)部環(huán)流的發(fā)現(xiàn)時對于土星內(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(dǎo)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。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。