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土星的这个“草帽” 居然藏着行星形成的秘密

2019-08-08 科技日报 唐婷
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  夜幕降临时,透过望远镜,你会看到一颗特别的天体,看上去像是一顶纹饰精美的“草帽”,它就是土星,美丽的“帽沿”便是大名鼎鼎的土星环。土星环是如何形成的?光环内物质有着怎样的精细特征?一直以来,无论是天文爱好者,还是专业的天文学家,都渴望能更多地揭开土星环的面纱。

  对土星环进行探测,是“卡西尼”号探测器的任务之一。通过分析“卡西尼”号任务结束前传回的数据,科学家团队对土星环有了新的认识,同时也产生了一些新的疑问。相关论文日前发表在《科学》杂志上。

  诞生是个谜 土星环是个“年轻人”

  长久以来,围绕土星环的形成有多种假说。其中一种认为,土星诞生之初可能就带着光环,这意味着土星环可能有着数十亿年的历史。

  了解土星环的质量是解锁其年龄秘密的重要一环。此前,科学家已经弄清楚了土星环的质量与其年龄之间的关系:质量越低,环越年轻。

  燃料耗尽前,“卡西尼”号在土星和土星环之间进行了22次俯冲,以进入土星的重力场。在那里,它可以感受到土星和环的引力。一旦科学家知道引力对“卡西尼”号的影响有多大,他们就能确定土星以及环的质量。

  通过分析“卡西尼”号传回的数据,科学家对土星环的质量有了新的认知。多年来,科学家一直倾向于相信土星主环B环的质量很大,甚至大过土卫一。

  然而,“卡西尼”号的无线电科学团队测量得到的主环B环只是土卫一质量的0.4倍。

  “这么小的质量,不可能是跟土星一起形成的。”集美娱乐国家天文台研究员平劲松介绍,此外,“卡西尼”号携带的宇宙尘埃分析器获得的数据,同样支持土星环的年龄约在1.5亿—3亿年之间,或是更加年轻这一结论。

  既然不是和土星同时形成的,那土星环是如何诞生的?科学家推测,可能是一颗彗星或是小行星撞上了土星的一颗卫星,产生的碎屑留在轨道上,被持续撕裂,造就了土星环。

  如果这种假说成立,那么这颗“粉身碎骨”的天体有多大?平劲松介绍,据测算,它的质量和月球差不多大小。

  土星环的年龄比此前设想的要年轻得多,是“卡西尼”号带来的惊人发现之一。平劲松认为,现有的发现改写了土星环演化起源的历史,这一形成机制可能不仅适用于土星环,对于其他行星环的形成来说也可能是成立的。

  土星环的“三面像” 不同结构有独特成因

  明亮又宽广的土星环,延伸到土星以外辽阔的宇宙空间。从远处看,它是一个柔和、整体的光环。但是,根据探测器近距离拍回的照片显示,这个环并非整体,而是由许多小环组成。

  主要的土星环,宽度从48公里到30.2万公里不等。距离土星从近到远的土星环分别按被发现的顺序命名为D、C、B、A、F、G和E环。其中,B环最宽、最亮,质量也最大。

  在最后一次观测土星环时,“卡西尼”号发现了从块状到稻草状的各种纹理和图案。它所拍摄的星环特写照片展示了星环内部三种截然不同的结构——团块结构、平滑结构和条纹结构。

  星环内部不同的纹理和结构如何形成的?平劲松逐一进行了分析。当一个小天体撞上土星卫星后,从动力学过程分析,撞击后的碎片会逐渐从大块往小块变化。在这个过程中,碎片逐步均匀分布的可能性较高。土星环中比较平坦光滑的部分,可能就是在这样一个过程中形成的。

  碎片运动过程,会受到其他卫星的作用。并不是所有的区域都存在稳定的轨道,在一些属于共振的区域,会出现不稳定的情况。碎片停留在不稳定的区域,可能会被拽走。密度高的地方相对稳定,密度低的地方就不太稳定,这样会形成条纹状的结构。

  还有一些重新汇聚出来的、尺寸比较大的土星卫星,它的轨迹和光环是在一个平面上。它对光环的影响,就像一艘快艇冲到河里的效果一样。光环在被冲击的过程中,一些地方的边缘就不那么均匀了,进而形成团块的现象。

  “这是三种比较可能的状态,当然,在土星环的形成过程中,也还有其他的因素在起作用。”平劲松说道。

  天然的实验室 提供研究行星形成的线索

  事实上,令科学家着迷的,不仅仅是土星环本身。土星环内部物质相互作用的过程,与恒星周围原行星盘内的行星形成过程极为相似。

  “因此,土星环可视作是一个天然的实验室,为科学家进一步了解行星的形成过程提供诸多线索。”平劲松说道。

  众所周知,恒星在由气体和尘埃组成的巨球(原星系盘)中心形成, 剩余的物质渐渐凝聚为类似土星环的圆盘,行星则在这个圆盘中逐渐聚集而成。

  如今的太阳系,已经很难找到形成之初的直接线索了。但借助对土星环的研究,或许能部分还原当时的情形。

  如果说,早期岩石类的行星在宇宙中碰撞聚集形成还是一个假说的话。那么,土星环里的小卫星,与环内大量存在的多冰颗粒发生交互作用,则提供了实实在在的例子。

  “起初,小天体撞击土星卫星时,它被分解成无数个小碎块。其中一些在环内运行时,相互聚拢堆积成密度不太大、体积略微大一点的天体,成为了土星的卫星。这和早期岩石类行星形成的过程非常相似。”平劲松说道。

  他认为在行星形成演化的过程中,撞击和汇聚是平行的两个重要方式。碰撞让物质重新分布,汇聚让体积逐渐变大,最终形成目前所看到的情形。在39亿年前,甚至更早的时期,估计发生概率更高的是一边碰撞一边汇聚的情形。

  随着研究的深入,土星环的面纱被逐步揭开。但关于土星环仍然还有不少待解的谜团。比如,土星环的内环和高层大气已经很接近了,那么它和高层大气之间存在什么样的物质交换作用机制?按照目前的动力学过程,土星环会存在多久?土星环里大一点的冰块是否会再次瓦解?想要回答这些问题,还有待进一步的科学研究。

打印 责任编辑:侯茜

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