财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 土星环到底有多重?约为南极冰盖质量的一半

土星环到底有多重?约为南极冰盖质量的一半

最近,科学家确定了土星环的质量,它约为地球南极冰盖质量的一半,并估计它很可能在3亿年后消失,相关研究发表在近日的《科学》杂志上。值得一提的是,该数据来自“卡西尼号”。2017年9月15日,"卡西尼号"永久地坠入土星大气,在“临死”时,它不忘使命,拍下了美丽的土星环。
 
撰文 | 孙珂剑
责编 | 叶水送
 
天上星星最美的是哪一颗?大概有不少人在孩提时代托着腮帮想过这个问题。没有多少悬念,如果要在太阳系举办群星“选美”大赛,土星一定能凭借其闪耀且端庄的“明星光环”C位出道。
 
土星的配置可以说是相当“奢华”,它主要由氢与氦构成,直径约为地球直径的9倍(不包括土星环),光已确认的卫星就有53颗,甚至还腰缠一条金闪闪的土星环。人们一直想搞清楚土星环到底所为何物又从何而来。
 
近日,科学家分析“卡西尼号”传来的土星数据,为我们一次性揭开了它的质量与寿命之谜。“卡西尼号”?是的,就是那个最终坠入土星大气,悲壮逝去的探测器,它在临死前,也不忘记使命,拍下了土星环。
 
土星环中的冰与石可更好地揭示太阳系的奥秘
 
看似固态且静止不动的土星环,原来是由无数大小不一的颗粒构成,其中大部分是冰,还有一些岩石。当轨道速度产生的离心力与土星引力达到平衡,这一颗颗冰与石便稳稳地围绕土星旋转起来。
 
别看土星环这么美,它的来源都是“太空垃圾”。太阳系形成初期,空中漂满了残骸与碎片,一些彗星和小行星偶然“路过”,土星在这一片混乱之中悄然伸出“引力之手”,捕获了大量物质,构成一条环带,它就是土星带。
 
美国NASA戈达德空间飞行中心(NASA’s Goddard Space Flight Center)的科学家James O’Donoghue将土星环比作“飞翔的坟墓”,这一看似骇人的比喻,道出了土星环的实质,我们从中或许能窥见更多关于太阳系的奥秘。
 
 
在最新研究中,科学家进一步确认了土星的自转周期为10小时33分钟,他们还发现土星环的总质量大约为 (1.54± 0.49)×1019 kg ,大约是地球上南极冰盖总质量的一半。你或许已经发现,这一数字的误差高达20%-30%,但参与“卡西尼号”的NASA科学家Bonnie Buratti表示,这已经是迄今为止我们能得到的关于土星环质量的最精确数据啦。
 
土星的“明星光环”3亿年后将要消逝?
 
事实上,此次科学家不仅计算出了土星环的质量,他们还有了一个或许令人有些悲伤的发现:土星环中的物质正在不断流失,预计整个土星环将在3亿年后消失。
 
为什么土星环会消失?这是由于阳光照射及其他宇宙反应,会将原本的惰性物质转变为带电颗粒,转变后的颗粒更容易被土星“吸进”厚厚的大气层,进而蒸发、降落。根据O’Donoghue的推算,每秒钟这一过程会使约2吨(4400磅)物质,从环中降落都土星表面上。
 
好在目前土星环正值“青春年华”,我们还能一睹土星环的风采。此前关于土星环的形成时间一直存在着较大的争论,一部分科学家认为它是和土星一起形成的,也就是大约在46亿年前,而另一部分则认为土星环要比土星年轻得多。最新的研究发现,土星环形成于1千万到1亿年前,它才刚刚走完生命历程的1/4左右,还有约3亿年的时间让我们欣赏它的美丽。
 
实际上,尽管土星环如此美丽、如此引人注目,但其实它在宇宙中并不特殊,基于土星环和土星的“年龄”差距如此悬殊,科学家甚至猜想目前这条土星环可能已经不是第一条了。除此之外,我们所熟知的木星、天王星、海王星也有行星环,这与星体引力、太阳风等因素有关。
 
“卡西尼”号造访丰收之神
 
土星环的质量与年龄之谜终于解开,这距离我们与土星的第一次“相遇”已经过去了400多年。1610年,人类首次在伽利略望远镜中确认了土星的存在,惊叹于它硕大的体积与炫目的金色环带,人们以古罗马神话中农业与丰收之神Saturn的名字将其命名。
 
古罗马神话中的农业与丰收之神Saturn
图片来源:Pinterest
 
1979年,由美国航天局发射的“先锋11号”(Pioneer11)飞行器成功飞掠土星边缘,这是人造飞行器首次踏入丰收之神的地盘。随后两年,旅行者1号、旅行者2号也完成了对土星的飞掠任务。
 
 
真正为我们带回大量土星信息的是“卡西尼-惠更斯号”(Cassini-Huygens,简称卡西尼号),它由美国航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和意大利航天局(ASI)联合研发,于1997年发射升空,2004年进入土星轨道,先后对土星及其卫星进行了多次飞掠,并发现了土星上的液态水和一个亮度较低的直径更大的土星环。
 
为了测算土星环质量,“卡西尼号”曾在最内侧土星环和土星表面之间往返6次,距离云层顶端最低高度为2600-3900km。
 
2017年9月15日,陪伴土星13年之后,“卡西尼号”按计划消失在了土星茫茫的大气层中。直到今天,它发出的数据仍在传送。
 
 参考资料:
[1]  The Massive Mystery of Saturn’s Rings-TheAtlantic https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/01/saturn-rings-cassini/580696/
[2]  Measurement and implications of Saturn's gravity field and ring mass-Science http://science.sciencemag.org/content/early/2019/01/16/science.aat2965?rss=1
[3]  NASA's Cassini Data Show Saturn's Rings Relatively New-NASA https://solarsystem.nasa.gov/news/813/nasas-cassini-data-show-saturns-rings-relatively-new/
 
推荐 2