土星的闪光环可能模仿银河系

这张照片由美国国家航空航天局的卡西尼号宇宙飞船在2009年8月土星分点前两周拍摄，垂直结构是土星主环中最高的结构之一，从土星B环边缘突然升起，投下长长的阴影。

耀眼的土星环会自发地抖动和摆动，一项新的研究表明，这种运动背后的原理也在整个星系的旋臂中起作用。

研究人员分析了美国国家航空航天局卡西尼号宇宙飞船在土星轨道上的图像，发现土星大质量B环中的奇怪振荡不是由卫星或任何其他物体引起的。

相反，科学家们说，环的密度足够大，边缘也足够锋利，非受迫性的“自由”波可以自行生长，然后在边缘再次反射回来。

研究人员认为，这种行为在其他圆盘系统中很常见，比如包括我们银河系在内的螺旋星系，以及在附近恒星周围发现的原行星盘中。

虽然这种现象已经在计算机模拟中进行了建模，但直到现在，它从未在自然界中被观察到。

科罗拉多州博尔德市空间科学研究所的Carolyn Porco说：“近13年前，当我们与卡西尼号一起踏上这段旅程时，我们已经找到了我们希望能找到的东西：不仅可以看到土星环，还可以看到更大规模的天盘，从我们自己的太阳系，一直到巨大的螺旋星系。”，该研究的合著者和卡西尼号成像团队的领导者。

根据今天（11月1日）发表在《天体物理杂志》在线版上的这项研究，这些新的观测结果可能有助于解释土星环最密集区域中令人困惑的各种结构。

土星的神秘振荡自20世纪80年代初美国国家航空航天局的旅行者号宇宙飞船飞越土星以来，科学家们就知道，土星B环的外缘被雕刻成了一个旋转的、扁平的足球形状。土星环中最强的引力共振是由土星的卫星Mimas引起的。

土星环中的共振发生在环粒子和月球之间的相对轨道位置不断重复，改变粒子的轨道的地方。在Mimas共振的情况下，粒子轨道从圆变为椭圆，形成与Mimas一起旋转的两瓣图案。

但研究人员表示，很明显，即使在旅行者号的发现中，外B环的行为也远比Mimas单独引起的任何事情都要复杂。

现在，对四年来拍摄的数千张卡西尼号B环边缘图像的分析揭示了大部分复杂性的来源：至少存在三种额外的、独立旋转的波型或振荡。

研究人员表示，这些振荡是由于B环的密度及其清脆的边缘而自发产生的，这使得波浪模式得以形成并在周围反弹。

该研究的主要作者、卡西尼号成像团队成员、空间科学研究所的Joseph Spitale说：“这些振荡的存在与吉他弦具有自然振荡模式的原因相同，当弹拨或受到其他干扰时，吉他弦会被激发。”“圆环也有自己的固有振荡频率，这就是我们所观察到的。”

就像螺旋星系一样，天文学家认为这种自激振荡存在于其他遥远的圆盘系统中。然而，这些远程系统内的运动无法直接观察到，研究人员转而采用计算机模拟来研究它们。

现在情况已经改变了。

研究人员表示，新的观测结果证实了在自然界任何地方的广阔物质盘中首次出现这种类型的大规模波动。

同样的过程可能解释了在土星最密集的环中发现的所有令人困惑的混沌波形，从几十米到几百公里宽。

帕萨迪纳加州理工学院的行星环理论家Peter Goldreich没有参与这项研究，他说：“通常情况下，粘性或流动阻力会阻尼波，就像声波在空气中传播一样。”

他补充道：“但新发现表明，在土星环最密集的部分，粘性实际上会放大波，这解释了旅行者号宇宙飞船拍摄的图像中首次出现的神秘凹槽。”

更多土星卫星

B环外缘的图像还揭示了至少两个受扰动的区域，其中一个是在环平面上方延伸高达2.2英里（3.5公里）的狭窄阴影投射峰的长弧。

这项研究表明，这些区域可能居住着小卫星，这些小卫星可能在过去的某个时候穿过B环的外部迁移，最终被困在边缘附近，受到Mimas引力的影响。研究人员说，这样的过程通常被认为有助于配置当今的太阳系。

Spitale和Porco提出，这些区域很可能包含直径数百米、可能一公里或更长的小卫星，这些卫星会在B环边缘的这种动荡环境中极大地压缩并迫使环绕它们的环物质向上移动。

作者还推测，B环的外部可能曾一度由一群小天体组成，就像今天土星的外部a环是数十颗小卫星的家园一样，这些小卫星创造了卡西尼号最近发现的“螺旋桨”特征。