土星正在"吃掉"自己的光环！历史上对它的探测从未停止 -

标题: 土星正在"吃掉"自己的光环！历史上对它的探测从未停止 [打印本页]

作者: buzhy 时间: 2018-12-20 10:27
标题: 土星正在"吃掉"自己的光环！历史上对它的探测从未停止

出品：科普中国

制作：刘博洋

监制：中国科学院计算机网络信息中心

发表在新一期美国行星科学期刊《伊卡洛斯》上的一项研究显示，土星正在"吃掉"环绕运行的土星环！

土星的引力正在将土星环中由水冰组成的颗粒吸入上层大气，在这种引力的作用下，土星环会在3亿年后消失。如果将美国土星探测器"卡西尼"号发现的落向土星赤道的"环雨"（在重力的作用下，土星环中的尘埃颗粒和其它材料在不断地降至土星地表）考虑在内，土星环将会在1亿年内消失。

这个正在逐渐消失的土星环主要由水冰构成，所以显得格外耀眼。长久以来，闪亮光环吸引着包括伽利略在内的众多天文学家的目光，也让他们困惑了几个世纪。

凝视土星

太阳系几大亮行星"金木水火土"之一的土星，自古为人所知。它的英文名Saturn来自罗马神话中农神之名，这与其以"土"命名的中文名字似有暗合。

这颗土黄色光泽的行星，直到近代望远镜发明之后，才开始向世人揭示它的神奇魅力。1610年，意大利天文学家伽利略率先将望远镜指向了土星。

他发现土星并不止有单一圆面，在其两侧似乎有一对对称的突起。伽利略的望远镜分辨率有限，他在手绘图中将这对突起绘成两个比土星本体稍小的圆圈，并认为这是土星的两颗卫星。1612年，伽利略发现"两颗卫星"不见了；不过没用多久，努尔哈赤建立后金同年的1616年，土星光环再次出现在了伽利略的手绘中，这次他绘制出了一个圆环形状，只是在他的手绘图中，圆环上下两端都被土星遮盖，显示出伽利略当时还是没有搞清光环围绕土星的事实。

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伽利略手绘土星，上图绘于1610、下图绘于1616年

1659年，荷兰天文学家惠更斯使用成像质量更好的望远镜对土星进行了观测。他正确地解释了土星光环发生变化的原因：光环在空间中指向固定的方向，当它在一个"土星年"（大约30个地球年）中以不同的取向朝向地球时，我们会看到光环由丰盈到消失、往复循2环的过程。

惠更斯还发现了土星最大的卫星，现名为土卫六的"泰坦"（Titan）。不到20年后，天文学家卡西尼发现土星的另外4颗卫星，还首度观测到土星光环最显著的特征、现在被称作"卡西尼环缝"的物质稀疏区域。

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示光环角度随时间的变化，图中明显可见卡西尼环缝

土星光环的本质让几个世纪的天文学家感到困惑。19世纪，美国天文学家基勒指出，土星光环由不连续的很多微粒组成，并非单一连续刚体——这在我们今天看来，是显然的，没有任何物体能承受那么大的剪切力而不碎裂。这在1981-1982年旅行者一号、二号探测器飞越土星之后，变得再明显不过：旅行者号对土星光环所摄得的照片中，我们已经发现了土星光环微粒在引力扰动下所呈现的一些暂现形态，一个动态的、有生命力的土星光环已经呼之欲出。

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土星和变化之中的土星光环F环

土星之春

两次短暂的飞越不足以解答人们对土星的种种好奇。从80年代末开始，NASA开始计划一次对土星的长时间环绕探测任务，卡西尼号任务计划逐渐浮出水面。经过几年的研发与准备工作，1997年10月15日，一枚泰坦IVB型火箭将卡西尼-惠更斯探测器送入太空。

经过几次内太阳系的重力助推操作，2004年6月，土星北半球的隆冬时节，卡西尼号进入了土星轨道。半年之后，惠更斯号土卫六着陆器与卡西尼号分离，卡西尼号开始了孤独而不寂寞的旅行。它的基本任务长度为4年，在那之后，卡西尼号在土星北半球的春天来临之际，执行了长度为2年的"春分点任务"。2010年起，健康状况良好的卡西尼号又踏上了长达7年的"夏至点任务"，这持续到了今年4月。自那之后的5个月，卡西尼号踏上了视死如归的最后旅途，"伟大终章任务"。

卡西尼号任务跨越土星北半球的冬、春、夏三个季节，这样长时间的观测让我们有足够耐心，静静观察土星的阴晴变化。

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上图为土卫十六与F环，下图为春分附近的土卫三十五与基勒环缝

在土星光环的罅隙中，卡西尼号发现了土星光环层次分明的条带结构形成和保持的原因：土卫十六"普罗米修斯"（Prometheus）在暗弱的F环内侧绕土星公转，只有139千米长的这颗小卫星长的像个土豆，所到之处在F环中掀起阵阵波澜，仿佛驱赶羊群的牧羊犬一样驱赶着环中的微粒——这被称作光环中的"牧羊犬卫星"。另一颗大小、形状都差不多的小卫星土卫三十五"达佛尼斯"（Daphnis）占据了另一条赛道：它在明亮的A环外边缘，独自开垦出了一条整洁的小径——基勒环缝。它也时不时用它看似微弱的引力在小径两边卷起一些风浪："春分点任务"中，卡西尼号借助2009年土星春分日附近太阳侧照光环的宝贵时机，拍下了土卫三十五在基勒环缝两边卷起的、高出光环平面的"浪花"在光环上的影子，让我们得以更直接测量出它的漫步对光环的影响究竟多大。旅行者号只窥得一目的光环变迁瞬间，在卡西尼的眼中终于连成一支支完整的影片。

土星的美丽光环点燃了无数诗人和科学家的美好幻想。其实，在八大行星中，天王星、木星、海王星可能也曾经拥有行星环，只不过现在已经不明显了。在我们叹息土星环消逝的同时，或许能够看到它便是一种幸运。

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