土星環中的行星歷史

2021-01-13 牧夫天文

文章來源：AAS Nova

編譯：艾宇熙

校對：牧夫天文校對組

編排：葛明紅

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

圖註：「卡西尼」號探測器拍攝的土星環

圖源：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

圖註：「卡西尼」號探測器拍攝的土星環近距離照片呈現出由螺旋密度波造成的明暗交錯條帶。

圖源：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

在「卡西尼」號土星探測器環繞土星運動的時候，它透過土星環觀測了遙遠的恆星。顫動的星光表明，光穿過的介質也就是土星環中存在密度波，也就是說，土星環中密度高和密度低的部分交錯排列。密度波的存在不僅提供了關於土星環本身的信息，還告訴我們，土星表面也存在運動。


加拿大多倫多大學的武延慶教授和美國西北大學的Yoram Lithwick結合觀測與理論，研究了土星表面的振動。他們發現，土星表面的振動最有可能是小天體的撞擊導致的，相比之下，土星表面對流和風暴則沒有那麼關鍵。每次有小天體撞擊土星，土星就像鈴鐺被敲響一樣產生波，而波的強度和特徵取決於撞擊的規模、次數、時間和衰減速度。

圖註：左圖中的每個點都代表「卡西尼」號觀測到的一種振動模式的能量。黑色方塊為觀測值，彩色圓圈為理論值。在高能量的區間內，理論和觀測值吻合得比較好，而在低能量區間內則量級差距較大。右圖顯示了研究者們提出額外假設後新的理論模型與觀測值更為匹配。

當土星環中的密度波擴散開來從而帶走了撞擊的能量後，土星表面的振動就停止了。這一過程可能持續長達兩千萬年之久。在考察了歷史上土星受到撞擊的概率和規模後，研究者發現，除了幾種特定的振動模式，很多遠古撞擊導致的密度波殘餘仍然可以在現代的觀測中被檢測到。


研究者們還提出，土星在最近四萬年內可能受到過一次百萬年一遇的撞擊——「幸運」撞擊；在這個前提下，觀測數據和理論數據得到了更好的匹配。另外的可能是，有些振動模式衰減得更快，而在不同振動模式之間還可能發生能量的轉移。

我們能否將研究土星表面振動的方法拓展到對其他行星歷史的研究中呢？比方說，木星並沒有像土星一樣廣闊的光環結構，因此小天體撞擊所產生的振動消減得更慢，或許在數十億年後還能檢測到——由此，研究者們認為十億年前，木星就曾受到過一顆直徑150千米的天體的撞擊。那次撞擊造成了木星重力場的變化和表面速度的改變，而通過研究木星的衛星朱諾等方法，就可以檢測到這種改變。


隨著進一步研究的開展，我們或許可以讀出更多土星和木星過去受到撞擊的事件。

都靈上空的月華

影像來源: Giorgia Hofer (Cortina Astronomical Association)

相關焦點

  • 土星環有多少年的歷史?爭論還在繼續
    太空飛行器在這些演習中進行的測量提供了迄今為止對環系統年齡的最佳估計。在我們太陽系的所有奇觀中，有一處堪稱異類和超凡脫俗之物:那就是土星的宏偉光環，它在這顆巨大行星上閃耀著金燦燦的光芒。土星環從一個尖端到另一個尖端綿延近30萬公裡，包含無數大小不等的冰粒子，從「微小的」到「可移動的家」。但它們不僅僅是裝飾，還是行星科學中最經久不衰的謎題之一。簡而言之，專家們無法就這些光環是如何形成的，甚至它們的年齡達成一致。土星的光環是太陽系的原始特徵嗎？大約45億年前，混沌和碰撞塑造了我們今天所看到的大部分東西，而土星的手鐲正是在那時出現的。
  • 為什麼土星有行星環,而地球卻沒有?原來它被月亮「吃掉」了
    行星環是指圍繞行星旋轉的物質構成的環狀帶，而一說到行星環，就會讓人情不自禁地想到土星的圖像，土星常常被認為是太陽系最美麗的行星，因為它有一個龐大而多彩的行星環。為什麼土星會有行星環呢？在2010年12月《自然》雜誌上曾對土星的行星環進行了解釋，裡面說，幾百萬年前，有一顆這樣的衛星在土星引力作用下與土星外圍的大氣相撞，不過撞擊前已經在土星的強大引力下解體（距離到達洛希極限），星體部分物質墜入土星，外圍冰塊部分則被甩了出去，開始圍繞土星運行，最終成型了美麗光環。
  • 土星環中奇異結構,探索行星形成原理
    太陽系中包含了極大行星，而土星就是其中之一，是比較特別的行星，對於土星的研究和探測各種數據和圖片對於科學家研究太陽早期的活動是十分有幫助的，所以美國科學家通過卡西尼土星探測器對土星以及土星衛還有土星的神秘光環進行了詳細的探測和研究
  • 「超級土星」你聽過嗎?擁有30多個行星環,宇宙中最漂亮的行星!
    在太陽系中，每一顆行星都格外的特別，而有一顆遠遠的望去就讓人印象深刻，它就是自帶一條行星環的土星，被稱為太陽系的寶石，最美麗的而太陽系天體。而在距離地球420光年以外，有一顆和木星十分相似的行星，它也擁有漂亮的行星環，只是遠比土星要多得多。
  • 土星環中的STEM
    作者：劉平瑤 東南大學腦與學習科學系土星環是太陽系行星裡最壯闊的風景之一。1610年，伽利略變成第一個見到土星環的人，他說道，從望眼鏡裡他見到土星好像有一對「耳朵裡面」。科學家解釋說，G環內曾經存在過一顆衛星，但不知是什麼原因，它解體了，演化成了環，而「卡西尼」號恰巧看到了這個演化過程的最後一幕。與G環相鄰的F環也是科學家們極感興趣的一條光環。這個環的奇特之處在於它時常改變外形使自己變成一種扭結的形態。科學家推測：F環中可能存在著尚未發現的小衛星，當它們穿過這個環時，會對環的外形產生影響。
  • 土星木星都有行星環,為啥地球沒有?如果地球有行星環會發生啥?
    土星木星都有行星環，為啥地球沒有？如果地球有行星環會發生啥？讀萬卷書不如行萬裡路，行萬裡路不如閱人無數，大家好，歡迎收看本期內容，相信很多喜歡研究星空的小夥伴都知道這麼一件事情，就是土星和木星都是有行星環的，看上去非常的漂亮美麗，雖然這些星球的行星環非常的薄，但依然是非常的精緻，然而在看到我們賴以生存的地球，除了月球之外什麼都沒有。相信很多小夥伴都有這樣一個疑問，就是土星和木星都有行星環，為什麼地球沒有，難道就這麼特殊的嗎？
  • 地球為什麼沒有像土星那樣的行星環呢?
    土星並不是唯一一個有環的行星：木星、天王星和海王星也有，不過和土星環不同的是，它們的還在地球上看不見。在太空船「旅行者1號」和「旅行者2號」探索之後，我們才知道了它們的存在。有趣的是，這些環都是被稱之為氣體巨星的外行星所有的，而且天文學家們現在相信所有環繞這些外行星的環都有一個相同的形成過程。關於它的形成過程有兩種推測：第一種推測認為環是由靠近行星的小行星碰撞所產生的石塊和塵埃組成的。土星和其衛星的引力將石塊和塵埃捕捉成為我們現在所看到的環狀物。第二種推測指出當這些行星有微粒和氣體雲形成時，不是所有的微粒和氣體都被行星所採集。
  • 卡西尼號冒險撞擊土星環後發現了什麼?星環還沒地球恐龍歷史悠久
    除這些外，木星、土星、天王星和海王還有一個超凡脫俗的行星環。不過其中最為雄偉要算土星環，它被科學界看成是外星人世界。在科學界，對土星行星環形成原因說法不一，科學家們無法就行星環成因問題達成一致。其中一種主流說法認為，土星行星環可能出現在45億年前，是由混亂和碰撞造成今天的環狀結構。
  • 美麗的土星環究竟是什麼?
    土星是太陽系中一顆美麗的行星，而土星環則是土星上最突出明顯的特徵，使得土星更加美麗，不禁感嘆宇宙的鬼斧神工。當然，在地球上，用肉眼是無法看到土星環的，必須要用望遠鏡，最早發現土星環的是天文學家惠更斯。土星的直徑達12萬公裡，是地球赤道的3倍多，而土星環的直徑至少20萬公裡，但是，土星環的厚度最厚也不過150公裡。這個比例比一本厚厚的字典和一張紙的比例還要誇張。
  • 走近太陽系中最美麗的行星——土星
    深入了解土星土星至太陽的距離由近到遠排名第六，是太陽系中第二大行星。因其炫目的光環，土星在太陽系中尤顯獨特。雖然土星並不是唯一一個有行星環的行星，但也找不到另一個像土星這樣擁有如此壯觀且複雜行星環的行星了。和氣態巨行星木星一樣，土星是一個主要由氫氦構成的巨型球體。
  • 哈勃望遠鏡拍攝土星新圖像：行星環清晰可見
    據智利《第三版時報》網站7月27日報導，土星的特徵是體積和行星環，這兩點在美國航空航天局哈勃空間望遠鏡於2020年7月4日拍攝的最新圖像中有所展現。拍攝這張照片的時候，這顆半徑為58232公裡的巨行星距離地球8.39億英裡。哈勃望遠鏡的鏡頭捕捉到一系列的小型大氣層風暴。
  • 土星失散多年的「兄弟」?首顆擁有行星環的系外行星被發現
    眾所周知，在太陽系中，有八大行星，它們按著各自不同的運行軌道，有序地繞著太陽旋轉著。八大行星中，有四顆行星擁有行星環，分別是土星，木星，天王星，海王星，其中要以土星的行星環最為壯觀美麗。J1407b是天文界發現的首顆擁有行星環的系外行星，它擁有30多個行星環，每個行星環的的顏色不盡相同，猶如一個巨大的彩虹圈，這些光環的總直徑達到了1.8億公裡，是土星環直徑的200倍，人們也將J1407b親切的稱之為土星的「兄弟」。小編在這裡，為大家科普一下什麼是行星環。行星環是由於行星的引力而導致一些碎片物質繞著行星轉動所形成的環狀帶。
  • 如果地球也像土星那樣擁有行星環,人類會受到影響嗎?
    太陽系中最美麗的結構莫過於帶著「帽子」的土星了。作為太陽系中行星環最明顯的行星，它的獨特可能是其他七大行星都無法比擬的。土星環到底是什麼17世紀中期，荷蘭科學家惠更斯第一個描述環是環繞土星的盤狀的人。至於它的形成，研究人員也在2010年的《自然》雜誌中，發表了它們的最新成果。它們認為，幾百萬年前，一顆衛星撞向了土星大氣，外圍的冰塊被土星吸住成為美麗光環，其他部分則墜入土星大氣層。為什麼地球不像土星一樣有行星環？要想形成行星環，就得有物質來源。
  • 美麗的土星環到底是什麼?
    土星是太陽的第六顆行星，也是太陽系中第二大行星。它是人類肉眼可以看到的離地球最遠的行星，但是通過望遠鏡可以更好地觀察行星最突出的特徵 - 它的環。雖然太陽系中的其它氣體巨星 - 木星，天王星和海王星 - 也有環，但土星的環特別突出，因此獲得了「環形星球」的綽號。
  • 哈勃望遠鏡拍攝土星新圖像:行星環清晰可見
    參考消息網7月29日報導 據智利《第三版時報》網站7月27日報導，土星的特徵是體積和行星環，這兩點在美國航空航天局哈勃空間望遠鏡於2020年7月4日拍攝的最新圖像中有所展現。拍攝這張照片的時候，這顆半徑為58232公裡的巨行星距離地球8.39億英裡。哈勃望遠鏡的鏡頭捕捉到一系列的小型大氣層風暴。
  • 哈勃拍到土星夏季美景，行星環清晰可見
    美國航天航空局（NASA）日前公開一張哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）於7月4日拍攝到的超清晰土星照片，呈現了其北半球夏季的風貌。當時這顆巨大的行星距離地球有8.39億英裡。
  • 如果地球有跟土星一樣的行星環,那將會對我們有什麼影響?
    在我們的印象中，土星是一個很美麗的星球，與我們熟知的相比，它的周圍有一道很明亮的光環。其實，在太陽系的八大行星中，不止是土星有光環，木星、天王星以及海王星也是有的，只是它們不如土星的明顯。這道光環是如何形成的呢？如果地球也有這樣的光環，那將會怎樣？
  • 九大行星:土星
    「先驅者」11號的紫外輝光觀測發現，在土星的可見環周圍有巨大的氫雲。環本身是氫雲的源。除了A環、B環、C 環以外的其他環都很暗弱。土星的赤道面與軌道面的傾角較大，從地球上看，土星呈現出南北方向的擺動，這就造成了土星環形狀的周期變化。仔細觀測發現，土星環內除卡西尼縫以外，還有若干條縫，它們是質點密度較小的區域，但大多不完整且具有暫時性。只有A環中的恩克縫是永久性的，不過，環縫也不完整。
  • 探索神秘的行星環之行星環從何而來?
    距離太陽越遠的行星，太陽對它難以控制，它便趁機擴大勢力範圍，網羅了眾多的衛星，組織大家族搞獨立王國。圖1b表示的是八大行星的希爾球半徑，由圖可見，4個外圍大行星的希爾球半徑比裡面4個的大了2-3個數量級。然後，根據下面列舉的事實：木星和土星的（天然）衛星數目都在60個以上，地球卻只有一個孤零零的月亮；內圈行星沒有環，外圈4大行星都帶環。
  • 為什麼地球沒有像土星那樣漂亮的環?
    許多天文愛好者看過土星的照片，都對它那美麗的土星環所吸引，的確這個完美的環讓土星變得高雅和獨特了許多。但其實我們首先要弄明白關於土星環的幾個事實。第一，我們在地球上是無法看到土星環的。土星環是人類派出了探測衛星後才知道了它的存在；第二，除了土星，木星、天王星和海王星也有環，只是後面三個行星的環相對比較暗淡，而土星環看起來明亮許多，因為它99%都是由冰塊構成；第三，土星環實際上並不是一個薄薄的平面，而是一個有「厚度」的區域，只是我們離得太遠，看起來好像薄如紙片；在了解了上面三個事實之後，我們再總結一下太陽系八大行星裡有環的和沒環的，有什麼區別