原来土星环是那么年轻貌美

天文学家利用美国航天局“卡西尼”号探测器的观测数据，解开了关于土星的两大谜团——自转周期和土星环的年龄。

“卡西尼”号绕土星在轨运行的艺术画（来源：NASA/JPL-Caltech）

对地球、冥王星这种固态表面的行星来说，只要找到一个地面的参照物，如山峰或湖泊，就可以测量自转周期。气态行星则困难许多，它们没有固态表面，没有稳固的参照物，就算木星大红斑是个相对稳定的气旋系统，但实际上它的位置也并非固定不变。但好在木星有着强大而稳定的磁场，

更重要的是，木星与地球一样，磁轴并没有和它的自转轴对齐。这给科学家带来一个便利条件，即通常磁场来测量行星的自转速率——当行星旋转时，磁轴会摆动，相应的无线电波就会呈现周期性的变化。2001年，木星的自转周期已经被精确测量，为9小时55分30秒。

4个气态行星的磁场与自转轴（来源：网络）

然而，土星上连个木星上那种“咸鸭蛋”都没有，带状环流风也有很大不确定性。更要命的是，土星的磁场很独特，而且磁轴几乎与自转轴完全重合，因此，土星的自转周期是多少我们一直掌握得不够准确。“旅行者”号曾对太阳系第二大行星的自转周期做过测量，得到的结果是10小时39分22秒（Desch & Kaise, 1981），但是“卡西尼”号曾给出10小时45分45秒（Gurnett et al., 2005）和10小时47分06秒（Giampieri et al., 2006）的结果，安德森、舒伯特（Anderson & Schubert, 2007）以及拉维特·海尔德（Helled et al., 2015）等人则给出了10小时32分44秒的答案。

“卡西尼”号拍摄的土星环（来源：NASA/JPL-Caltech）

来自加州大学圣克鲁斯分校（UC Santa Cruz）天文学和天体物理学的研究生克里斯托弗·曼科维奇（Christopher Mankovich）利用“卡西尼”号的最新数据发现了新的线索，秘密就藏在土星环中。在“卡西尼”号环绕土星工作的时候，对布满冰冷碎石的土星环进行了前所未有的细致观察。曼科维奇借助“卡西尼”号的数据发现土星环会对土星本身的振动作出反应，其作用类似于用来测量地震引起震动波的地震仪。土星内部某些频率的震动会引起其自身引力场的变化，而土星环中特定位置上能够在特定时间里“检测”到引力场中的变化，在它们环绕土星运动时能周期性地积累一定的能量，而能量能以某种可观测的波的形式被带走。这种奇特的表现给天文学家一个很好的启发，可以被巧妙地用来测量土星的自转周期。整个机制相当复杂，如果你看不懂没关系，只要记住结论——通过土星环的某些特征得出土星的自转周期为10小时33分38秒。“卡西尼”号项目科学家琳达·斯皮尔克（Linda Spilker）说：“这是一个非常可靠的结果。”相关研究成果于1月17日发表在《天体物理学》期刊上。

近期对土星的新认知（来源：NASA/JPL-Caltech）

与此同时，关于土星环本身的研究也有了新的关键性成果。1月17日，罗马萨皮恩撒大学（Sapienza University of Rome）卢西亚诺·伊斯（Luciano Iess）等人在《科学》杂志上发表论文，根据“卡西尼”号探测器重力科学数据研究发现土星环形成于1千万年至1亿年前，换句话说土星环并非“与生俱来”，而是形成于“恐龙时代”。

土星与地球差不多形成于同一时期，大约45亿年前。不过，其标志性的光环似乎并不是一开始就有。有迹象表明，土星环很年轻。但是多久之后呢？

为了计算出这些环的年龄，科学家们不仅需要测量环的质量，还要近距离观察其细节特性。虽然研究人员在20世纪80年代初就已经通过“旅行者”号探测器进行了遥感测量，但是由于飞船距离土星还十分遥远，并未获得十分可靠的信息。2017年“卡西尼”号最后的旅程为我们带来了前所未有的观测数据，当时航天器22次从土星和土星环之间穿越。

“卡西尼”号穿越土星环的想象画（来源：NASA/JPL-Caltech）

“卡西尼”号每一次在那么近的距离上掠过土星，都能明显感受到这个巨型行星引力带来的影响。虽然航天器产生的速度变化极小极小，但是科学家仍然能够使用巨大的天线接收到“卡西尼”号无线电信号的细微变化，哪怕是小到1毫米/秒不到的速度变化。由此便可计算出土星和土星环的质量。测量结果表明，土星环的总质量只有约1.54×1019千克，仅相当于土卫一的41%，月球的万分之五。没想到看似宽大的土星环质量却如此之小。再加之我们早已了解到土星环非常明亮，因为主要由冰粒构成；然而它们却没有（或者你可以说成“还没有”）被星际碎片和尘埃染黑。于是，这两个非常重要的现象叠加在一起几乎就能确定两条推论：第一，相对于土星而言，土星环非常年轻；第二，土星环来源于一颗彗星或更早一代的小型冰卫星，由于它离土星过近而被撕裂。

土星环（来源：NASA/JPL-Caltech）