土星光環下的雨,卡西尼號嘗了嘗

2020-12-01 果殼網

在任務最終階段，卡西尼號探測器飛行於土星及其光環系統之間。圖片來源：NASA

（Shea/譯）土星上會下雨。每一秒，土星環都會向土星的雲層播散大約數百千克的水冰、有機分子和其他微小的顆粒。

在卡西尼號執行任務的最後幾周裡，它先後22次從土星和它的光環之間穿過，品嘗了光環雨，讓科學家終於有機會直擊土星及其光環間驚豔而複雜的相互作用。

認識這一複雜性，並非只是一項難懂的學術研究，還朝著揭開土星系統最亙古不變的謎題邁進了一步。這個謎題便是——太陽系中最著名的這個光環系統是如何起源的，它的年齡又有多大？了解光環的成分及其播散粒子的速率，可以為了解土星歷史提供關鍵線索。

「是不是我們足夠幸運，才剛好生活在這樣一個土星擁有華麗光環的時期？」美國科羅拉多大學的肖恩·徐（Sean Hsu）問道，「如果大質量的光環是新近才形成的，它會對土星其他的冰質衛星施加什麼樣的影響？這個問題想來也很有意思。」

卡西尼號墜毀前的圖像，顯示了土星的夜晚側，它會在那裡墜入土星的大氣層。可以看見，土星的雲層被光環反射的光照亮。圖片來源：NASA、JPL-Caltech、Space Science Institute

下雨天

有物質會從土星環降落下來，這並不讓人意外；幾十年來，理論和觀測都支持這一論斷。但這些物質究竟如何在該系統中運動，有多少會從土星的天空中落下，以及它們會如何改變雲頂下方的化學特性，這些問題的答案此前並不清楚。

現在，《科學》雜誌上發表的3篇論文報導了土星上光環雨的細節。這些論文採用了2017年底卡西尼號墜入土星前「偉大終章」軌道後期的一系列觀測數據。

在從土星及其光環間的縫隙呼嘯而過時，卡西尼號的運動速度高達每小時110 000千米——遠遠超出了星載儀器設計所能應對的上限。對於力圖解釋這些數據的科學家來說，如此高的速度著實是一項挑戰。

「他們為此作了各種努力，最終非常聰明地弄清楚了儀器返回的數據，」NASA的傑克·康奈尼（Jack Connerney）說，「這完全超出了科學家最初的設計和經驗。」

2017年9月14日，卡西尼號在墜毀前拍攝到了土星及其光環的華麗影像。圖片來源：NASA、JPL-Caltech、Space Science Institute

在這個窄縫中，卡西尼號測量了環的質量、土星的重力及磁場，還「品嘗」了數百個光環顆粒。它攜帶的3臺設備迅速研究了這些顆粒，每一臺都可以「嘗出」顆粒的不同味道。不出意外，結果與預期並不相符。

首先，土星的天空中漂浮著一個意料之外的粒子層，其中納米尺度的粒子會與土星大氣分子發生碰撞，最終向內漂移，沿著土星赤道降落下去。

肖恩·徐說，「在卡西尼進入『偉大終章』軌道之前，我們完全不知道還有這些粒子存在。」

其他設備發現，下落的光環顆粒中包含有機分子，例如甲烷、丁烷、丙烷，以及一些富含矽酸鹽的顆粒。帶有強電荷的顆粒，由於會沿著土星的磁力線運動，絕大多數都降落到了土星南半球。其他的顆粒則沿著土星的赤道下落。

根據卡西尼號最新的數據，這幅圖顯示了土星環雨的化學構成。圖片來源：NASA/JPL/SWRI

水冰佔據了土星光環的95%～99%，但科學家在光環雨中發現的水，卻沒有預期的這麼多。NASA艾姆斯研究中心的傑夫·庫齊（Jeff Cuzzi）對此有一個解釋：一個此前未被探測到且緊靠D環的輻射帶把冰質顆粒物中的水剝離掉了。根據這個解釋，在更靠近土星的地方探測到的粒子很可能是能抵禦輻射的物質，例如矽酸鹽和有機物。

降雨量

更令人困惑的是，對於有多少物質正在落入土星大氣層，3個科學家小組都作出了估計，結果卻差別巨大。這很可能是他們是在土星周圍不同位置對不同物質進行測量的結果。

一個團隊認為，每秒鐘約有4.5千克的納米顆粒正從土星的D環落向土星——這是最低的。另一個團隊則發現，光環雨每秒包含了45 000千克的水冰、有機物和矽酸鹽粒子——這是最高的。

科學家認為，後者也許是光環物質降落量臨時增加所致，很可能源於最近的一次彗星碰撞。但如果這個值是穩定不變的，庫齊指出，那就說不通了。光環中並沒有足夠多的物質，能夠維繫光環中的顆粒以如此高的速度下降。

庫齊說，雖然土星上肯定有光環雨，但現在就嘗試用不同的雨量來估算光環的年齡還為時過早。

「原則上，通過測量來自光環的物質量來估計光環的年齡是個很好的想法，」庫齊說，「但就像許多的好想法一樣，實現起來卻很複雜。」

2017年9月15日，卡西尼探測器墜入土星自毀。在它拍攝的最後一批圖像中，可見土星的冰質衛星土衛二躲在土星的後面。圖片來源：NASA、JPL-Caltech、Space Science Institute

瓦解的衛星

不過，卡西尼號的新結果仍有助於解答另一個謎題：土星環最初是如何形成的？根據共有的成分，目前科學家手頭的數據都指向了同一個答案：有一顆衛星或彗星解體了。

此外，庫齊指出，土星C環中包含奇怪的富矽酸鹽物質，這與有一顆衛星被瓦解所留下跡象相符。在衛星形成和成長的過程中，其內部會被加熱，富含矽酸鹽的巖石會熔化並沉入核心，而較輕的冰質物質會形成衛星的地幔。

在土星瓦解這顆假想衛星的時候，來自該衛星核心的碎石逗留在較厚的C環中，而冰質且含水的地幔則形成了明亮的A環和B環。

在一個已經相當穩定地存在了數十億年的系統裡，這一事件如何在最近的幾億年裡發生，仍是個開放的問題。另一個問題則是，土星究竟如何與這顆被瓦解的衛星相互作用。

「最終的答案還不得而知，」康奈尼說，「但其中許多部分的輪廓已經浮現。」（編輯：Steed）

本文由National Geographic授權果殼翻譯。

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