土星环倾盆大雨 每秒倾泻1万公斤

漫步宇宙乔·皮克斯通2018-10-12 10:07

“卡西尼”号的观测数据进一步揭示了土星环的复杂一面。天文学家发现土星环每秒向土星倾斜1万公斤冻结物质,包括水、甲烷和氨,数量是此前预计的10倍。这一发现将重新定义我们对行星环形成的认知,对太阳系运转机制的了解也将发生革命性变化。

土星是太阳系的第二大行星,一系列星环环绕赤道。科学家发现星环每秒向这颗气态巨行星倾泻1万公斤冻结物质

根据美国宇航局“卡西尼”号飞船的观测数据,科学家发现土星环每秒向这颗气态巨行星倾泻1万公斤冻结物质,数量是此前预计的10倍。“卡西尼”号的观测揭示了土星环这一标志性特征的复杂一面。2017年9月,这艘飞船坠落土星大气层。科学家表示这一发现将重新定义我们对行星环形成的认知,同时让我们对太阳系运转机制的了解发生革命性变化。

研究论文主执笔人、“卡西尼”号离子和中性粒子质谱仪(INMS)项目首席研究员亨特o维特指出:“事实证明,土星环不仅会下雨,而且还是倾盆大雨。”研究小组发现土星环由水、甲烷、氨、二氧化碳、分子态氮和一氧化碳构成。

2013年7月19日,“卡西尼”号拍下了这幅土星靓照,箭头所指的淡蓝小点就是我们的地球。此时,地球距土星14.4亿公里

维特表示:“虽然INMS在设计上用于研究气体,但我们也能对星环内的颗粒进行测量,因为它们高速撞击‘卡西尼’号并发生汽化。水冰以及新发现的有机化合物以超出此前预计的速度从星环坠落,每秒的坠落物质多达1万公斤。”

在土星大气层和星环之间发现的化合物种类让研究人员感到吃惊。研究论文合著者凯利·米勒表示:“与预计的一样,分子氢在土星大气中的比重最大。星环的‘降雨’包含大量水以及丁烷和丙烷等分子。烤架或者野营炉使用的便是这些化学物质。”研究论文刊登在《科学》杂志上。

“卡西尼”号的观测揭示了土星环的复杂一面,帮助科学家了解它们的构成。研究小组发现土星环由水、甲烷、氨、二氧化碳、分子态氮和一氧化碳构成

“卡西尼”号任务持续了20年之久,其中在土星系统逗留了13年。随着燃料的耗尽,宇航局决定利用“卡西尼”号最后的绕轨分析土星上层大气层并掠过内侧星环边缘。在最后的22次绕轨中,“卡西尼”号利用所携设备对土星上层大气层的构成进行测量,同时分析大气成分与来自星环的物质之间的化学反应。

完成这些任务后,“卡西尼”号坠落土星,最终在浓密的大气层中燃烧殆尽。米勒表示:“在最后的冒险中,‘卡西尼’号潜入土星环和土星大气层之间的未知领域。基于以往的研究,科学家认为水会以雨的形式从星环坠落土星大气层。为此,‘卡西尼’号让无线电天线充当一把伞,保护自己免遭碎片侵袭。”米勒就职于德克萨斯州的西南研究院。

地球并不是唯一一颗上演极光秀的行星。2010年,“卡西尼”号拍下了这幅土星南极照,允许科学家第一次对土星极光进行研究

“卡西尼”号的移动速度极快,让这种分析成为可能。但与此同时,这也让数据的解读工作复杂化。分子和颗粒会被“卡西尼”号撞得粉碎,INMS探测到的有机化合物可能是碎片。观测结果显示土星D环富于变化,各区域会随着时间推移发生改变。

研究论文第二作者丽贝卡·佩里曼表示:“INMS是‘卡西尼’号任务末尾最后用于收集数据的仪器之一,获取这些观测数据并非一件容易的事情。大量物质坠落能够对星环的演化产生重要影响,例如C环的物质不断补充附近的D环。”

当土星及其星环从背后照亮时,科学家能够看到从另一侧无法捕捉的星环细节。此外,他们还发现了此前未曾见到的颜色差异

研究人员表示坠落的物质可能改变土星大气层的碳和氧含量。研究论文合著者、堪萨斯大学物理学和天文学教授托马斯·克拉文斯表示:“这是我们发现的太阳系运转机制的一个新要素。有两件事情让我感到吃惊。第一个是,来自星环的物质的化学复杂性。我们一度认为星环几乎完全由水构成。第二件事情是,坠落物质的数量远远超过此前预计。从星环坠落土星大气层的物质数量和种类都让我感到吃惊。”

土星B环的边缘,里面的某些结构高达2.5公里,形成针状阴影。这些独特结构究竟由何种因素所致,科学家尚不十分清楚

克拉文斯指出研究小组一度认为土星环几乎完全由水构成,发现其它化合物让他们感到非常意外。他说:“令我们感到吃惊的是,质谱仪发现了甲烷。这出乎所有人的意料。同样出人意料的是,我们还发现了一些二氧化碳。我们一度认为星环完全由水构成。事实证明,土星的内侧星环被严重‘污染’,水冰中掺杂着各种有机物质。”

5颗土星卫星。从左至右分别是土卫十“雅努斯”、个头很小的土卫十七“潘多拉”、明亮而多冰的土卫二“恩克多拉斯”、部分被遮住的土卫一“米玛斯”以及处在前景的土卫五“利亚”

土星最内侧的星环——D环是向土星倾泻物质的主要“元凶”。“卡西尼”号质谱仪的观测数据显示,来自D环的大量化学物质坠入土星上层大气层。之所以出现这种现象是因为D环的旋转速度远超土星大气层。克拉文斯说:“我们发现了这个过程,但并不十分清楚其中的机制。我们发现这些物质——包括一些挥发油——改变了赤道地区的土星上层大气层;颗粒和尘埃受到‘污染’。”

这幅照片带有一点科幻色彩,3颗土星卫星幻化成“月牙”——土卫六“泰坦”、土卫五“利亚”和土卫一“米玛斯”——形成令人难忘的景象

克拉文斯指出研究发现有助于科学家进一步了解太阳系、其它恒星系统和系外行星的运转机制,同时也提出了一系列新问题。他说:“这些发现能够帮助我们了解行星的星环如何形成。某些行星有星环,某些没有。星环的寿命多长?如何获得补充?土星是否存在一个没有星环的时期?星环的构成如何演化?星环内的物质是否是太阳系形成过程的残余?它们的历史能否追溯到太阳之前的原始星云?这个星云的塌陷最终形成了太阳和行星。”

土星北极的永久性风暴,犹如一朵惊艳的玫瑰花。“玫瑰风暴”的风眼宽2000公里,云速可达到每秒150米。照片摄于2012年11月27日,是“卡西尼”号拍摄的首批土星北极照片之一

研究人员指出由于星环以远超预计的速度驱逐物质,专家们认为星环的寿命可能比预计的短。克拉文斯说:“我们发现星环驱逐物质的速度至少是此前预计的10倍。如果不能获得补充,星环不可能长久存在。这就像一个出现破洞的水桶。木星星环之所以如此纤细,可能就是这个原因。星环如潮水一样时涨时落。在某个时期,它们逐渐走向干涸,直至新物质涌入。”

艺术概念图,“卡西尼”号正对土星进行观测

“卡西尼”号于1997年从佛州卡纳维拉尔角发射升空,经过7年的飞行抵达土星系统,随后环绕土星13年。2000年,“卡西尼”号用了6个月时间研究木星,2004抵达土星。在对土星进行观测时,它发现了6颗新卫星、星环内高耸的三维结构以及一场持续近一年之久的巨型风暴。

2004年12月13日,“卡西尼”号第一次飞掠土卫六“泰坦”和土卫四“狄俄涅”。12月24日,欧航局向土卫六派遣“惠更斯”探测器,研究大气层和地表构成,最后发现了由甲烷和乙烷构成的烃湖。2008年,“卡西尼”号完成探索土星系统的主任务,开始执行扩展任务——卡西尼昼夜平分时任务。

“卡西尼”号不仅研究土星,同时还对众多土星卫星进行观测并拍摄大量精彩照片。这幅照片拍摄于2009年11月1日,展示了土卫二“恩克拉多斯”和土卫十七“潘多拉”

2010年,“卡西尼”号开始第二项任务——卡西尼至点任务。2011年12月,“卡西尼”号获取解析度最高的土卫二“恩克拉多斯”图像。2012年12月,它对金星凌日进行追踪,测试观测系外行星的可能性。2013年3月,“卡西尼”号最后一次掠过土卫五“利亚”,测量其内部结构和引力拖拽。

2005年,“卡西尼”号近距离掠过土卫七“许珀里翁”,捕捉这颗形状不规则卫星的身影,同时获取怪异地表的细节特征。土卫七的地表好似海绵,原因仍是不解之谜

2013年7月,“卡西尼”号拍摄土星背光照,对星环进行细致观测,同时还拍摄了一幅地球照片。2017年4月,“卡西尼”号与土卫六上演最亲密接触,而后书写“最终篇章”,9月15日结束自己的使命。

伦敦大学学院穆勒太空科学实验室行星科学组负责人安德鲁·科特斯表示:“‘卡西尼’号任务改变了我们对地外如何孕育生命的认知。火星、土卫二、木卫二和土卫六都可能孕育出生命。我们彻底改写了有关土星的教科书。”

(原标题:土星环倾盆大雨 每秒倾泻1万公斤)

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