天文學家利用美國航天局「卡西尼」號探測器的觀測數據，解開了關於土星的兩大謎團——自轉周期和土星環的年齡。
「卡西尼」號繞土星在軌運行的藝術畫（來源：NASA/JPL-Caltech）
對地球、冥王星這種固態表面的行星來說，只要找到一個地面的參照物，如山峰或湖泊，就可以測量自轉周期。氣態行星則困難許多，它們沒有固態表面，沒有穩固的參照物，就算木星大紅斑是個相對穩定的氣旋系統，但實際上它的位置也並非固定不變。但好在木星有著強大而穩定的磁場，
更重要的是，木星與地球一樣，磁軸並沒有和它的自轉軸對齊。這給科學家帶來一個便利條件，即通常磁場來測量行星的自轉速率——當行星旋轉時，磁軸會擺動，相應的無線電波就會呈現周期性的變化。2001年，木星的自轉周期已經被精確測量，為9小時55分30秒。
4個氣態行星的磁場與自轉軸（來源：網絡）
然而，土星上連個木星上那種「鹹鴨蛋」都沒有，帶狀環流風也有很大不確定性。更要命的是，土星的磁場很獨特，而且磁軸幾乎與自轉軸完全重合，因此，土星的自轉周期是多少我們一直掌握得不夠準確。「旅行者」號曾對太陽系第二大行星的自轉周期做過測量，得到的結果是10小時39分22秒（Desch & Kaise, 1981），但是「卡西尼」號曾給出10小時45分45秒（Gurnett et al., 2005）和10小時47分06秒（Giampieri et al., 2006）的結果，安德森、舒伯特（Anderson & Schubert, 2007）以及拉維特·海爾德（Helled et al., 2015）等人則給出了10小時32分44秒的答案。
「卡西尼」號拍攝的土星環（來源：NASA/JPL-Caltech）
來自加州大學聖克魯斯分校（UC Santa Cruz）天文學和天體物理學的研究生克里斯多福·曼科維奇（Christopher Mankovich）利用「卡西尼」號的最新數據發現了新的線索，秘密就藏在土星環中。在「卡西尼」號環繞土星工作的時候，對布滿冰冷碎石的土星環進行了前所未有的細緻觀察。曼科維奇藉助「卡西尼」號的數據發現土星環會對土星本身的振動作出反應，其作用類似於用來測量地震引起震動波的地震儀。土星內部某些頻率的震動會引起其自身引力場的變化，而土星環中特定位置上能夠在特定時間裡「檢測」到引力場中的變化，在它們環繞土星運動時能周期性地積累一定的能量，而能量能以某種可觀測的波的形式被帶走。這種奇特的表現給天文學家一個很好的啟發，可以被巧妙地用來測量土星的自轉周期。整個機制相當複雜，如果你看不懂沒關係，只要記住結論——通過土星環的某些特徵得出土星的自轉周期為10小時33分38秒。「卡西尼」號項目科學家琳達·斯皮爾克（Linda Spilker）說：「這是一個非常可靠的結果。」相關研究成果於1月17日發表在《天體物理學》期刊上。
近期對土星的新認知（來源：NASA/JPL-Caltech）
與此同時，關於土星環本身的研究也有了新的關鍵性成果。1月17日，羅馬薩皮恩撒大學（Sapienza University of Rome）盧西亞諾·伊斯（Luciano Iess）等人在《科學》雜誌上發表論文，根據「卡西尼」號探測器重力科學數據研究發現土星環形成於1千萬年至1億年前，換句話說土星環並非「與生俱來」，而是形成於「恐龍時代」。
土星與地球差不多形成於同一時期，大約45億年前。不過，其標誌性的光環似乎並不是一開始就有。有跡象表明，土星環很年輕。但是多久之後呢？
為了計算出這些環的年齡，科學家們不僅需要測量環的質量，還要近距離觀察其細節特性。雖然研究人員在20世紀80年代初就已經通過「旅行者」號探測器進行了遙感測量，但是由於飛船距離土星還十分遙遠，並未獲得十分可靠的信息。2017年「卡西尼」號最後的旅程為我們帶來了前所未有的觀測數據，當時太空飛行器22次從土星和土星環之間穿越。
「卡西尼」號穿越土星環的想像畫（來源：NASA/JPL-Caltech）
「卡西尼」號每一次在那麼近的距離上掠過土星，都能明顯感受到這個巨型行星引力帶來的影響。雖然太空飛行器產生的速度變化極小極小，但是科學家仍然能夠使用巨大的天線接收到「卡西尼」號無線電信號的細微變化，哪怕是小到1毫米/秒不到的速度變化。由此便可計算出土星和土星環的質量。測量結果表明，土星環的總質量只有約1.54×1019千克，僅相當於土衛一的41%，月球的萬分之五。沒想到看似寬大的土星環質量卻如此之小。再加之我們早已了解到土星環非常明亮，因為主要由冰粒構成；然而它們卻沒有（或者你可以說成「還沒有」）被星際碎片和塵埃染黑。於是，這兩個非常重要的現象疊加在一起幾乎就能確定兩條推論：第一，相對於土星而言，土星環非常年輕；第二，土星環來源於一顆彗星或更早一代的小型冰衛星，由於它離土星過近而被撕裂。
土星環（來源：NASA/JPL-Caltech）
基於土星引力場的研究還給另一個困擾人們許久的問題帶來一絲光明。根據論文合著者加州大學伯克利分校（UC Berkeley）伯克哈德•米利策（Burkhard Militzer）開發的氣態行星內部模型，土星內核的質量可能是地球的15~18倍。還需要多說嗎？「卡西尼」號的身後遺產正體現出越來越多的價值。
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