美国宇航局的卡西尼发现土星环形成之谜

艺术家的卡西尼号轨道飞行器穿越土星环形飞机的概念。对环的质量的新测量为科学家提供了关于其年龄问题的最佳答案。致谢:NASA / JPL-Caltech

更大的看法

土星的戒指可能是标志性的,但有一段时间,雄伟的天然气巨人存在而没有独特的光环。事实上,根据美国宇航局卡西尼号太空船的重力科学数据的新分析,环可能比行星本身形成得晚得多。

调查结果表明,土星的环形成于1000万至1亿年前。从我们星球的角度来看,这意味着土星的环可能是在恐龙时代形成的。

这项研究的结论,从最终的超近轨道卡西尼号在2017年进行的测量中收集到的,当太空船接近其任务结束时,是太阳系科学长期存在的问题的最佳答案。该研究结果于1月17日在Science上发表。

土星在我们的太阳系早期形成了45亿年前。有一些线索表明它的戒指系统是一个年轻的新贵,后来连接土星。但是多久以后呢?

为了弄清楚戒指的年龄,科学家需要测量其他东西,戒指的质量或者他们持有多少材料。20世纪80年代初期,研究人员对卡西尼号和美国宇航局的旅行者号航天器进行了遥感测量。然后是卡西尼从其最终轨道获得前所未有的近距离数据。由于航天器耗尽了燃料,它在行星和环之间进行了22次潜水。

潜水使航天器充当探测器,落入土星的重力场,在那里它可以感受到行星和环的牵引。从美国宇航局深空网络和欧洲航天局的天线发送到卡西尼号的无线电信号传达了宇宙飞船的速度和加速度。

一旦科学家知道引力对卡西尼号的影响有多大,使其加速降至每秒几毫米,他们就能确定这颗行星有多大以及环的重量。

“只有通过在卡西尼号的最终轨道上与土星如此接近,我们才能收集测量结果以获得新的发现,”卡西尼无线电科学团队成员和罗马Sapienza大学的主要作者Luciano Iess说。“通过这项工作,卡西尼实现了其使命的基本目标:不仅要确定环的质量,还要利用这些信息来改进模型并确定环的年龄。”

Iess的论文基于科学家之前在环的质量和它们的年龄之间建立的联系。较低的质量指向较年轻的年龄,因为明亮且大部分由冰构成的环将在较长时期内被行星际碎片污染和变暗。通过更好地计算环质量,科学家们能够更好地估计环的年龄。

土星科学家将继续研究如何形成环。年轻戒指的新证据证明了他们从一颗彗星形成的理论,这些彗星离得太近,被土星的引力撕裂了,又或者是一个破坏了前一代冰冷卫星的事件。

旋转层深入

从卡西尼号的超级近距离观测点,沉浸在土星的重力场中,宇宙飞船传递的测量值引发了科学家们另一个令人惊讶的发现。

人们早就知道,土星的赤道大气层围绕行星的旋转速度比内层和核心更快。想象一组嵌套的圆柱体,以不同的速度旋转。最终,朝着行星的中心,层同步移动并一起旋转。

木星的大气也像这样。但是新的研究结果表明,土星的层层开始同步旋转到地球更深处至少5,600英里(9,000公里)。这比木星的相同现象深三倍。它的深度相当于土星整个半径的15%。

“发现深层旋转层是对地球内部结构的一个令人惊讶的启示,”JPL的卡西尼项目科学家Linda Spilker说。“问题是什么原因导致更快速旋转的大气部分变得如此之深,这对土星的内部有什么影响呢?”

与此同时,土星引力的测量又解决了另一个未知问题:核心的质量。由加州大学伯克利分校教授和该论文的共同作者Burkhard Militzer开发的内部模型表明它是15到18个地球质量。

卡西尼号的任务于2017年9月结束,当时燃料耗尽,故意投入土星大气层以保护地球的卫星。