土星環像鐘聲一樣 "響 "了起來

2020-08-29 天文在線

【內容簡介】：對於地球和月球這樣的巖石天體，可以通過對地震產生的地震波的研究來探測它們的地層，但是氣態巨行星卻沒有，所以研究人員不得不採用其他方法，比如研究一顆行星的磁場。卡西尼太空船發現土星環系統有20多個波，是由土星的中心引起的，且能使其像鍾一樣響起。 這些波的特徵是由行星的大小，形狀和組成決定的。 它們揭示了土星表面下的大規模結構，包括那些無法找到的結構。

這張 "卡西尼 "號的圖像揭示了土星臨近夏至時的北半球。

(圖片：©NASA/JPL-加州理工學院/空間科學研究所)

土星環如鐘聲般響起，這使得研究人員有可能探索土星心臟深處的情況。

引力將土星內部的地震波推向其環形系統，美國宇航局的卡西尼號任務能夠探測到這些微小的震顫。根據一項新的研究，這顆行星內部的很大一部分比之前預期的更有層次感。

行星將其內部過程隱藏在難以穿透的層之後。雖然像地球和月球這樣的巖石體可以通過研究地震產生的地震波來探測它們的層，但氣態巨行星沒有固體表面來測量這種波。相反，研究人員必須採用其他方法，比如研究行星的磁場。

（圖解：美國宇航局的卡西尼號太空飛行器於2009年9月20日拍攝、2013年12月23日發布的這一景象，捕捉到了土星最大的衛星土衛六與其環之間的動態相互作用。在土星環內的每個位置，粒子都以特定的周期或節奏運行。這張圖片聚焦在環中兩個獨立且附近的位置，這些節奏與土衛六16天軌道的不同方面同步，形成了從遠處指向土衛六的標誌性效果。 (圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院/空間科學研究所 )

美國航天局的 "卡西尼 "號飛行任務於2004年抵達土星後不久，研究人員就意識到該行星的環在奇怪地擺動。宇宙飛船揭示的不是現有理論所預測的單一波，而是小波群，可以用行星內部最深處存在重力波來解釋。

"[重力波]真正特別的地方在於，它們的存在本身就要求該內部深處至少有一部分是相對平靜和穩定的，而不是對流的，"加州理工學院的研究員克里斯多福-曼科維奇在一封電子郵件中告訴太空網。

在這些新的研究出現之前，對太陽系巨行星的基本認識表明，它們的熱流體內部向外推送熱量，就像熔巖燈一樣。但是，在較輕的氫氣和氦氣下面存在著巖石和水冰等重成分，會抑制流體的運動，產生重力波。在土星的情況下，這些波會導致行星像鐘聲一樣響起。

"通過環形地震學探測到土星內部重力波，現在是土星內部相當一部分是穩定分層而非對流的稀缺鐵證之一。"曼科維奇說。

鈴聲如鍾

在像地球這樣的巖石行星上，行星表面下的擾動可以像波浪一樣移動，穿過行星的內部並穿過其表面。因此，在距離強震震中數百英裡的地方，都能感受到巨大的震動。最終，來自其他行波的幹擾會形成橫跨整個星球的駐波模式。

"這使得整個星球響起像鍾一樣的響聲，"曼科維奇說。

像鍾一樣，這種波的特徵由行星的大小、形狀和組成決定。它們揭示了對地表下大規模結構的洞察力，包括那些無法以其他方式獲得的結構。

同樣的過程也發生在土星上，土星周圍有一個由微小的巖石和冰塊組成的美麗的環形系統。大多數時候，它們的軌道是平靜而有序的，偶爾會發生碰撞。幾十年來，科學家們已經知道，環形粒子會受到行星82顆衛星引力的影響.雖然環形地震學在20世紀90年代初就被提出來了，但直到一艘太空飛行器花時間繞著行星運行，這個想法才得以付諸實施。

卡西尼號發現，土星環也受到行星振蕩引力場的震蕩。 太空飛行器表徵了土星環系統中20多種由行星心臟引起的波。曼科維奇稱，這些相互作用只發生在環中的特殊地方，但結果可能是 "戲劇性的"。這種影響很小，波峰到波峰的距離只有大約一公裡，而環的跨度將近18萬英裡（30萬公裡）。

"這些波浪真的只有在非常細微的尺度上才會明顯，"曼科維奇說。"卡西尼號通過前往土星近距離研究這個系統，使得研究這些波的精緻細節成為可能。"

了解土星心臟深處的情況是一個非常持續的過程。根據曼科維奇的說法，環形地震學傾向於一個厚厚的穩定區域，該區域大約佔行星半徑的四分之一。這與從行星磁場收集到的信息有些不一致，磁場傾向於一個狹窄的、僅佔行星半徑的5%到10%的穩定區域。

曼科維奇說，現在說這些結果對行星內部意味著什麼還為時過早，但有一種可能性是，產生行星磁場的過程與它的同胞氣態巨行星木星相比，甚至比以前預期的更不同。

沒有對這次衝突感到沮喪，曼科維奇反而顯得很興奮。「隨著多儀器卡西尼數據的全部含義被研究出來，未來幾年將是一個令人著迷的過程。」

「這證明了像卡西尼號這樣的太空飛行器任務的威力，我們擁有如此多樣化的數據，其中不同的部分似乎說的是不同的事情--這反映了我們理解上的差距，並提供了一個發現的機會。」他補充說：「科學協同作用是最好的。」

作者:

FY: Charon

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