原來土星環是那麼年輕貌美

天文學家利用美國航天局“卡西尼”號探測器的觀測數據，解開了關於土星的兩大謎團——自轉週期和土星環的年齡。

“卡西尼”號繞土星在軌運行的藝術畫（來源：NASA/JPL-Caltech）

對地球、冥王星這種固態表面的行星來說，只要找到一個地面的參照物，如山峯或湖泊，就可以測量自轉週期。氣態行星則困難許多，它們沒有固態表面，沒有穩固的參照物，就算木星大紅斑是個相對穩定的氣旋系統，但實際上它的位置也並非固定不變。但好在木星有着強大而穩定的磁場，

更重要的是，木星與地球一樣，磁軸並沒有和它的自轉軸對齊。這給科學家帶來一個便利條件，即通常磁場來測量行星的自轉速率——當行星旋轉時，磁軸會擺動，相應的無線電波就會呈現週期性的變化。2001年，木星的自轉週期已經被精確測量，爲9小時55分30秒。

4個氣態行星的磁場與自轉軸（來源：網絡）

然而，土星上連個木星上那種“鹹鴨蛋”都沒有，帶狀環流風也有很大不確定性。更要命的是，土星的磁場很獨特，而且磁軸幾乎與自轉軸完全重合，因此，土星的自轉週期是多少我們一直掌握得不夠準確。“旅行者”號曾對太陽系第二大行星的自轉週期做過測量，得到的結果是10小時39分22秒（Desch & Kaise, 1981），但是“卡西尼”號曾給出10小時45分45秒（Gurnett et al., 2005）和10小時47分06秒（Giampieri et al., 2006）的結果，安德森、舒伯特（Anderson & Schubert, 2007）以及拉維特·海爾德（Helled et al., 2015）等人則給出了10小時32分44秒的答案。

“卡西尼”號拍攝的土星環（來源：NASA/JPL-Caltech）

來自加州大學聖克魯斯分校（UC Santa Cruz）天文學和天體物理學的研究生克里斯托弗·曼科維奇（Christopher Mankovich）利用“卡西尼”號的最新數據發現了新的線索，祕密就藏在土星環中。在“卡西尼”號環繞土星工作的時候，對佈滿冰冷碎石的土星環進行了前所未有的細緻觀察。曼科維奇藉助“卡西尼”號的數據發現土星環會對土星本身的振動作出反應，其作用類似於用來測量地震引起震動波的地震儀。土星內部某些頻率的震動會引起其自身引力場的變化，而土星環中特定位置上能夠在特定時間裏“檢測”到引力場中的變化，在它們環繞土星運動時能週期性地積累一定的能量，而能量能以某種可觀測的波的形式被帶走。這種奇特的表現給天文學家一個很好的啓發，可以被巧妙地用來測量土星的自轉週期。整個機制相當複雜，如果你看不懂沒關係，只要記住結論——通過土星環的某些特徵得出土星的自轉週期爲10小時33分38秒。“卡西尼”號項目科學家琳達·斯皮爾克（Linda Spilker）說：“這是一個非常可靠的結果。”相關研究成果於1月17日發表在《天體物理學》期刊上。

近期對土星的新認知（來源：NASA/JPL-Caltech）

與此同時，關於土星環本身的研究也有了新的關鍵性成果。1月17日，羅馬薩皮恩撒大學（Sapienza University of Rome）盧西亞諾·伊斯（Luciano Iess）等人在《科學》雜誌上發表論文，根據“卡西尼”號探測器重力科學數據研究發現土星環形成於1千萬年至1億年前，換句話說土星環並非“與生俱來”，而是形成於“恐龍時代”。

土星與地球差不多形成於同一時期，大約45億年前。不過，其標誌性的光環似乎並不是一開始就有。有跡象表明，土星環很年輕。但是多久之後呢？

爲了計算出這些環的年齡，科學家們不僅需要測量環的質量，還要近距離觀察其細節特性。雖然研究人員在20世紀80年代初就已經通過“旅行者”號探測器進行了遙感測量，但是由於飛船距離土星還十分遙遠，並未獲得十分可靠的信息。2017年“卡西尼”號最後的旅程爲我們帶來了前所未有的觀測數據，當時航天器22次從土星和土星環之間穿越。

“卡西尼”號穿越土星環的想象畫（來源：NASA/JPL-Caltech）

“卡西尼”號每一次在那麼近的距離上掠過土星，都能明顯感受到這個巨型行星引力帶來的影響。雖然航天器產生的速度變化極小極小，但是科學家仍然能夠使用巨大的天線接收到“卡西尼”號無線電信號的細微變化，哪怕是小到1毫米/秒不到的速度變化。由此便可計算出土星和土星環的質量。測量結果表明，土星環的總質量只有約1.54×1019千克，僅相當於土衛一的41%，月球的萬分之五。沒想到看似寬大的土星環質量卻如此之小。再加之我們早已瞭解到土星環非常明亮，因爲主要由冰粒構成；然而它們卻沒有（或者你可以說成“還沒有”）被星際碎片和塵埃染黑。於是，這兩個非常重要的現象疊加在一起幾乎就能確定兩條推論：第一，相對於土星而言，土星環非常年輕；第二，土星環來源於一顆彗星或更早一代的小型冰衛星，由於它離土星過近而被撕裂。

土星環（來源：NASA/JPL-Caltech）