美国宇航局卡西尼号飞船对土星独特的光环进行了前所未有的详细观测,科学家们现在利用这些观测来探测这颗巨大行星的内部,并首次获得了它自转速度的精确数据。根据计算,土星上一天的长度是10小时33分38秒。研究人员研究了土星环内部振动产生的波型。实际上通过对行星内部振动的响应,就像一个极其灵敏的地震仪。与地球的地震振动相似,土星对扰动的反应是在其内部结构决定的频率上振动。内部热驱动对流是最可能的振动源。这些内部振荡导致行星内部任何特定位置的密度波动,从而使行星外部的重力场以相同频率振荡,环中的粒子在重力场中感受到这种振荡。

博科园-科学科普:(上图为卡西尼-惠更斯号于2006年9月15日临近土星时拍出的土星环,是不是非常漂亮?)加州大学圣克鲁兹分校天文学和天体物理学研究生克里斯托弗·曼科维奇解释说:在这种振荡与环形轨道共振的地方,能量会累积,并以波的形式被带走。曼科维奇是1月17日发表在《天体物理学》上该研究论文的第一作者,这篇论文比较了土星光环的波动模式和土星内部结构模型。加州大学圣克鲁兹分校天文学和天体物理学教授乔纳森·福特尼是该研究报告的共同作者说:但是土星环上的一些特征是由于行星本身振动造成的,可以利用这些特征来了解行星的内部振动和内部结构。Mankovich开发了一套土星内部结构的模型,用它们来预测土星内部振动的频谱,并将这些预测与卡西尼号在土星C环观测到的波进行比较。

  • 这张土星环照片是由美国宇航局卡西尼号飞船于2017年9月13日拍摄的,这也是卡西尼号传回地球的最后几张照片之一。图片:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

分析的主要结果之一是对土星自转速率的新计算,这一计算出人意料地难以测量。作为一颗气态巨行星,土星没有固体表面,在它旋转的过程中也没有可以追踪的地标。土星也不同寻常的是,土星磁轴几乎完美地与旋转轴对齐。木星地轴和地球地轴一样,也不与旋转轴对齐,这意味着地轴会随着行星的旋转而摆动,这使得天文学家能够测量无线电波中的周期信号,并计算出自转速率。Mankovich分析得出的10小时33分38秒旋转速度比之前基于旅行者号和卡西尼号宇宙飞船辐射测量的估计快了几分钟。卡西尼号项目的科学家琳达·斯皮尔克说:我们现在知道了土星一天的时长,当时我们认为无法找到它。

  • 土星C环有着惊人丰富的结构和纹理,土星环外部大部分结构是土星卫星对土星环粒子引力扰动的结果,但是土星环中一些特征是由于行星自身的振动造成。图片:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

用光环窥探土星的内部,从里面探出了这颗行星长久以来所追求的基本品质。这是一个非常可靠的结果。戒指上有答案。土星环可以用来研究这颗行星地震学的想法最早是在1982年提出,那时还远未进行必要的观测。马克·马利(Mark Marley)目前在美国宇航局位于硅谷的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)工作。他后来在1990年的博士论文中充实了自己的想法,展示了如何进行计算,并预测了土星环的特征位置。他还指出,卡西尼号的任务,在计划阶段,将能够进行必要的观测来验证这个想法,20年后,人们研究了卡西尼号的数据,在马克预测的位置发现了环状结构。

  • 这张卡西尼号拍摄图像以前所未有的细节显示了土星B环的密度波,很可能是由一颗小卫星系统性地扰乱了土星B环粒子的轨道造成。图片:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

(欣赏)在下面这张奇特的照片中,土星隐约出现在前景的左边,由土星光环所投射的阴影所点缀。在右边,土星环从卡西尼号的视角向外延伸,从行星朦胧的边缘后露出。2017年5月28日当这幅图像被收集的时候,卡西尼号刚刚第六次穿过土星和土星环之间的间隙,正在眺望地平线。该任务最终将于2017年9月15日进入火星大气层。从这里可以看到土星环未被照亮的一面,阳光从另一面透过。这颗行星的一部分在南半球。卡西尼号是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利ASI航天局合作的一个项目,这幅图像于2017年10月16日首次发布。

图片:NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

博科园-科学科普|研究/来自: 加州大学圣克鲁兹分校

参考期刊文献:《天体物理学》

DOI: 10.3847/1538-4357/aaf798

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