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新发现:土星正“吃掉”自己的光环
发布:haige__   时间:2018/12/21 23:42:02   阅读:415 
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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。    

伽利略手绘土星,上图绘于1610、下图绘于1616年 
(图片来源:伽利略手绘) 
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。  

示光环角度随时间的变化,图中明显可见卡西尼环缝 
(图片来源:哈勃太空望远镜拍摄的土星) 
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。 

土星和变化之中的土星光环F环 
(图片来源:旅行者号拍摄) 
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。 

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 
(图片来源:卡西尼号)  
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。 

来源:科普中国
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