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土星的這個“草帽” 居然藏著行星形成的秘密

文章來源:科技日報 唐婷   發布時間:2019-08-08  【字號:     】  

  夜幕降臨時,透過望遠鏡,你會看到一顆特別的天體,看上去像是一頂紋飾精美的“草帽”,它就是土星,美麗的“帽沿”便是大名鼎鼎的土星環。土星環是如何形成的?光環內物質有著怎樣的精細特征?一直以來,無論是天文愛好者,還是專業的天文學家,都渴望能更多地揭開土星環的面紗。

  對土星環進行探測,是“卡西尼”號探測器的任務之一。通過分析“卡西尼”號任務結束前傳回的數據,科學家團隊對土星環有了新的認識,同時也產生了一些新的疑問。相關論文日前發表在《科學》雜志上。

  誕生是個謎 土星環是個“年輕人”

  長久以來,圍繞土星環的形成有多種假說。其中一種認為,土星誕生之初可能就帶著光環,這意味著土星環可能有著數十億年的歷史。

  了解土星環的質量是解鎖其年齡秘密的重要一環。此前,科學家已經弄清楚了土星環的質量與其年齡之間的關系:質量越低,環越年輕。

  燃料耗盡前,“卡西尼”號在土星和土星環之間進行了22次俯沖,以進入土星的重力場。在那里,它可以感受到土星和環的引力。一旦科學家知道引力對“卡西尼”號的影響有多大,他們就能確定土星以及環的質量。

  通過分析“卡西尼”號傳回的數據,科學家對土星環的質量有了新的認知。多年來,科學家一直傾向于相信土星主環B環的質量很大,甚至大過土衛一。

  然而,“卡西尼”號的無線電科學團隊測量得到的主環B環只是土衛一質量的0.4倍。

  “這么小的質量,不可能是跟土星一起形成的。”中科院國家天文臺研究員平勁松介紹,此外,“卡西尼”號攜帶的宇宙塵埃分析器獲得的數據,同樣支持土星環的年齡約在1.5億—3億年之間,或是更加年輕這一結論。

  既然不是和土星同時形成的,那土星環是如何誕生的?科學家推測,可能是一顆彗星或是小行星撞上了土星的一顆衛星,產生的碎屑留在軌道上,被持續撕裂,造就了土星環。

  如果這種假說成立,那么這顆“粉身碎骨”的天體有多大?平勁松介紹,據測算,它的質量和月球差不多大小。

  土星環的年齡比此前設想的要年輕得多,是“卡西尼”號帶來的驚人發現之一。平勁松認為,現有的發現改寫了土星環演化起源的歷史,這一形成機制可能不僅適用于土星環,對于其他行星環的形成來說也可能是成立的。

  土星環的“三面像” 不同結構有獨特成因

  明亮又寬廣的土星環,延伸到土星以外遼闊的宇宙空間。從遠處看,它是一個柔和、整體的光環。但是,根據探測器近距離拍回的照片顯示,這個環并非整體,而是由許多小環組成。

  主要的土星環,寬度從48公里到30.2萬公里不等。距離土星從近到遠的土星環分別按被發現的順序命名為D、C、B、A、F、G和E環。其中,B環最寬、最亮,質量也最大。

  在最后一次觀測土星環時,“卡西尼”號發現了從塊狀到稻草狀的各種紋理和圖案。它所拍攝的星環特寫照片展示了星環內部三種截然不同的結構——團塊結構、平滑結構和條紋結構。

  星環內部不同的紋理和結構如何形成的?平勁松逐一進行了分析。當一個小天體撞上土星衛星后,從動力學過程分析,撞擊后的碎片會逐漸從大塊往小塊變化。在這個過程中,碎片逐步均勻分布的可能性較高。土星環中比較平坦光滑的部分,可能就是在這樣一個過程中形成的。

  碎片運動過程,會受到其他衛星的作用。并不是所有的區域都存在穩定的軌道,在一些屬于共振的區域,會出現不穩定的情況。碎片停留在不穩定的區域,可能會被拽走。密度高的地方相對穩定,密度低的地方就不太穩定,這樣會形成條紋狀的結構。

  還有一些重新匯聚出來的、尺寸比較大的土星衛星,它的軌跡和光環是在一個平面上。它對光環的影響,就像一艘快艇沖到河里的效果一樣。光環在被沖擊的過程中,一些地方的邊緣就不那么均勻了,進而形成團塊的現象。

  “這是三種比較可能的狀態,當然,在土星環的形成過程中,也還有其他的因素在起作用。”平勁松說道。

  天然的實驗室 提供研究行星形成的線索

  事實上,令科學家著迷的,不僅僅是土星環本身。土星環內部物質相互作用的過程,與恒星周圍原行星盤內的行星形成過程極為相似。

  “因此,土星環可視作是一個天然的實驗室,為科學家進一步了解行星的形成過程提供諸多線索。”平勁松說道。

  眾所周知,恒星在由氣體和塵埃組成的巨球(原星系盤)中心形成, 剩余的物質漸漸凝聚為類似土星環的圓盤,行星則在這個圓盤中逐漸聚集而成。

  如今的太陽系,已經很難找到形成之初的直接線索了。但借助對土星環的研究,或許能部分還原當時的情形。

  如果說,早期巖石類的行星在宇宙中碰撞聚集形成還是一個假說的話。那么,土星環里的小衛星,與環內大量存在的多冰顆粒發生交互作用,則提供了實實在在的例子。

  “起初,小天體撞擊土星衛星時,它被分解成無數個小碎塊。其中一些在環內運行時,相互聚攏堆積成密度不太大、體積略微大一點的天體,成為了土星的衛星。這和早期巖石類行星形成的過程非常相似。”平勁松說道。

  他認為在行星形成演化的過程中,撞擊和匯聚是平行的兩個重要方式。碰撞讓物質重新分布,匯聚讓體積逐漸變大,最終形成目前所看到的情形。在39億年前,甚至更早的時期,估計發生概率更高的是一邊碰撞一邊匯聚的情形。

  隨著研究的深入,土星環的面紗被逐步揭開。但關于土星環仍然還有不少待解的謎團。比如,土星環的內環和高層大氣已經很接近了,那么它和高層大氣之間存在什么樣的物質交換作用機制?按照目前的動力學過程,土星環會存在多久?土星環里大一點的冰塊是否會再次瓦解?想要回答這些問題,還有待進一步的科學研究。




(責任編輯:侯茜)

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