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土星环之谜可能最终从卡西尼号探测器得到答案

卡西尼号拍摄的这幅土星系统的镶嵌图,闪耀着微小尘埃颗粒发出的散射光。在这种不同寻常的几何形状中,太阳被行星遮住了。

自从望远镜开始窥视天空以来,人们就知道土星环了。伽利略第一次发现它们是在1610年。从那时起,天文学家们对土星最引人注目的特征有了越来越多的了解,从构成光环的物质到推挤周围物质的力。

但是,关于土星环的两个最基本的信息——质量和年龄——仍然是个谜。

美国国家航空航天局卡西尼号宇宙飞船研究环和尘埃的跨学科科学家Jeff Cuzzi说,这些问题是“宇宙中的大象”。Cuzzi在加利福尼亚州莫菲特菲尔德的美国国家航空航天局艾姆斯研究中心工作。

天文学家希望,在美国国家航空航天局的卡西尼号宇宙飞船的帮助下,这个谜团将被解开,或者至少更好地理解。卡西尼号飞船在过去六年中一直在探索土星系统。卡西尼号目前正在执行其扩展任务,并计划进行几次观测和观测,科学家们希望这些观测和观测将有助于解决土星环的年龄和其中有多少物质的问题。

年轻人还是老年人

几十年来,天文学家一直认为土星环,就像他们环绕的行星一样,是在大约46亿年前太阳系形成的时候形成的,所以和太阳系一样古老。

20世纪80年代初,当美国国家航空航天局的“旅行者”号宇宙飞船经过这颗环形巨人,并收集了关于这颗行星、它的许多卫星和它的环形系统的数据时,这一概念受到了挑战。通过“旅行者”号的观测,科学家们发现环中正在进行复杂的过程,“这让人很难理解为什么会有那么古老,”Cuzzi告诉太空网。

这些过程包括土星的卫星和环相互施加的引力推拉,称为共振,以及这些共振对环中其他物理过程的级联效应。从本质上讲,科学家们发现,这些过程应该会将土星的小卫星推出环系统,并将环拉向行星。但是,如果环系统和太阳系一样古老,这应该早就发生了。

卡西尼号紫外线成像光谱仪(UVIS)的首席研究员、科罗拉多大学博尔德分校的拉里·埃斯波西托说:“这些过程进行得太快了,它们会全部完成,戒指也会消失。”

Cuzzi说,考虑到这些过程的运行速度,以及土星环和小卫星的当前位置,科学家们计算出它们的年龄必须是太阳系的十分之一,或者只有一亿年的历史。

但旅行者号的飞越数据只是土星系统的快照。埃斯波西托告诉太空网,当卡西尼号于2004年抵达土星时,其观测结果表明,搅动土星环的过程的速度甚至比旅行者号的数据所显示的还要快。相应地调整环的年龄会使它们比旅行者号的探索时代更年轻,这显然是不可能的。

埃斯波西托说,因此,戒指比太阳系年轻得多的想法“在我看来,目前是可疑的”。

尽管还有另一条独立的证据表明,这些环是一个年轻的特征,“来自陨石碎片的冰冷的水冰环中的污染量”。

岩石和冰

观测发现,土星环至少90%是水冰。Cuzzi说,但是,就像太阳系中的其他东西一样,土星环也受到行星际碎片的持续轰炸,这些碎片中大约有60%是碳。

随着时间的推移,雨点般落在冰环上的陨石碎片会“污染”水冰,使其越来越不纯净。库齐说:“随着时间的推移,它们变得越来越脏。”但大部分环仍然是水冰,这表明环存在的时间不够长,不足以受到严重污染,这反过来又表明它们还很年轻。

当然,戒指的脏程度不仅仅取决于它们在周围吸收所有碎片的时间;这也取决于环材料的多少。污染不会像在更薄的环中那样在密度更大、质量更大的环中表现得那么多。所以,了解土星环的质量可以帮助科学家计算出碎片轰炸土星环的时间有多长,以及它们存在的时间有多久。

Cuzzi说:“我们认为我们非常了解环的质量。”包括埃斯波西托在内的科学家通过测量穿过光环的星光量来确定这个质量。但卡西尼发现,光环中的物质对自身施加了引力,导致其聚集,几乎没有星光穿透这些团块。

Cuzzi说:“所以我们真的无法知道这些团块中有多少物质。”科学家们实际测量的质量只是大质量团块之间较薄斑块的质量。

科学家们希望卡西尼号能够通过以不同的方式测量土星环的质量来解决这个难题。

卡西尼号将做什么

在其任务即将结束时,卡西尼号将被放入行星和光环内侧边缘之间的一颗小行星中。

库齐说:“它将进入一个非常非常近的轨道。”“在这些轨道上,即使是环的质量也会对航天器的轨道产生影响。”

因此,根据卡西尼号的航向偏离情况,科学家们希望能够计算出这些环的质量。

这个方程的另一部分可以让科学家们了解陨石环的年龄,那就是陨石碎片撞击陨石环的速度。结合这些环的质量、在其中看到的污染量和污染下降的速度,科学家可以告诉科学家碎片落在环上的时间有多长,以及它们存在的时间有多长。

卡西尼号也试图回答这个问题的第二部分。Cuzzi解释说,测量陨石碎片进入环的流量“非常难测量,因为这个系统是一个尘土飞扬的系统,其中很多都被背景所掩盖”。“我们要耍点小把戏。”

落在光环上的陨石碎片也落在土星的卫星上。当这些碎片撞击到结冰的小卫星时,它会掀起卡西尼号可以测量到的尘埃。这些数据反过来可以告诉科学家,许多陨石碎片正在落在系统上。

该航天器最近飞越了土星的卫星Rhea,科学家们正在等待数据来计算陨石通量Espositosaid。

Cuzzi说,一旦卡西尼任务的所有数据都出来了,他们希望将计算出的质量和陨石命中率结合起来,“并真正能够判断这些环是否和太阳系一样古老”。


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