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掀开“帽子” 瞧瞧土星神秘范儿

2017-05-19 08:58 来源:科技日报

  对于大部分普通公众来说,除了地球和火星,太阳系中最熟悉的大行星恐怕就非土星莫属了。这主要是因为它拥有一个美丽的光环系统,就像戴了一顶好看的大草帽。2004年以来,“卡西尼”号探测器一直在围绕土星的轨道上运行,对其本体、卫星以及光环系统进行迄今为止最为细致的考察。这些探测有助于科学家们解答一系列长久以来有关这颗行星悬而未决的谜团。

  最近,沉默了很久的土星又来刷了一次我们的屏。近日,离开地球快20年的美国“卡西尼”号土星探测器成功在土星和土星环之间完成首次穿越,并传回迄今最近的土星观测数据。这些数据显示,土星与土星环之间的区域是片“空无”。消息传来,一方面人们为“卡西尼”在这一地带的首次成功穿越欢欣鼓舞,另一方面这让本来就充满“神秘范儿”的土星更添新的疑团。

  今年9月,“卡西尼”号探测器将结束使命,进行它的“自杀任务”——俯冲入土星内环,并将关键数据传回地球,随后在土星大气层分崩离析。这件事更让航天爱好者们兴奋又期待,“感觉离土星的秘密又要近一步了”。

  土星与土星环之间区域是真空地带?

  “空无”原是高层大气和低密度的尘埃

  5月1日,美国航空航天局喷气推进实验室“卡西尼”项目主管厄尔·马伊斯在一份声明中说,数据分析显示,土星与土星环之间是一片“空无”。这“空无”到底是什么东西呢?

  这个“空无”的区域并不是有些人理解的“完全的真空地带”,而是存在一些低密度的尘埃状的东西。国家天文台研究员平劲松在接受科技日报记者采访时解释说,土星与土星环之间存在着稀薄的等离子体大气,与行星际空间环境融合在一起。它们密度很低,且不容易反射光线。“卡西尼”号探测器在穿越这些空隙时,还检测所碰到的微粒大小和环的厚度,以及估测光环的组成、温度、密度和结构。土星与土星环之间宽约2000公里的区域中是否含有尘埃一直是科学家们关注的话题,因为这不仅决定了“卡西尼”号探测器在未来的穿越中是否需要将碟状主天线作为“盾牌”,还将影响探测器怎样以及何时观测土星。现在看来,尘埃确实存在,但尘埃水平比预期低很多。

  土星的草帽光环是怎么来的?

  各种天体残骸碰撞分离堆积形成环状结构

  提到土星就不得不提到知名度极高的土星环。这一圈环绕土星的光环让土星在望远镜中看起来犹如一顶草帽,“帽沿”正是土星光环,又称土星环。光环的存在使土星成为太阳系中较为奇特的一颗行星,也让土星成为群星中最美丽的一颗。

  土星环是什么?怎么来的?一直是大家关注的话题。

  平劲松告诉记者,土星环的主要物质是冰晶和尘埃。在太阳系和土星形成的早期,天体之间会频繁发生碰撞,碰撞产生了很多残骸物质,这些残骸物质再经过不断地碰撞和分离,最终堆积在一起形成环状结构。这些撞碎后的尘埃和冰晶在轨道带上成片分布,它们反射星光、太阳光以及其他天体辐射的光最终形成了土星的神秘光环。

  值得一提的是,土星环从远处看是一个柔和的、整体的光环,但是根据探测器近距离拍回的照片显示,这个环并非整体,而是由许多小环组成。

  更有趣的是,相比较土星的年龄而言,土星的环结构还是非常年轻的。土星诞生至今大约有40多亿年,而土星的环只有数亿年的历史。据“卡西尼”号探测器成像科学团队和图像控制中心实验室主任卡罗琳说,土星的环系统是在何时形成的,以及持续了多长时间,这期间环结构是否是连续存在的,是否有出现过断档期,这些问题还处于探索之中。

  地极六边形漩涡如何形成的?

  成因至今不明或许是温差造成的

  很早以前,天文学家就发现在土星北极有一个极地漩涡,它看上去呈一个完整的六边形,这在整个太阳系都是独一无二的,引起了大家浓厚的兴趣。

  这个六边形旋涡形状巨大,宽度可以容纳4个地球的大小。最近几年,天文学家通过观察“卡西尼”号探测器发回的数据及图像,发现六边形旋涡看起来很像地球上的飓风,不过范围明显要大得多,大概是地球飓风的20—40倍。

  平劲松告诉科技日报记者,六边形旋涡自西向东高速旋转,十分漂亮。其实在土星南极上空也同样存在着一个大规模的漩涡系统,只是规模较小。

  不过对于这个六边形漩涡的成因,科学家们至今也没有搞清楚。土星的北极被认为可能是土星上最“温暖”的地方,温度高达零下122℃,而土星其他地方的温度则是零下185℃。科学家猜测,这样的温差或许正是极地漩涡的成因。

  土星巨型风暴每30年肆虐一次?

  由于探测间断是否30年一循环尚未可知

  土星上肆虐的巨型风暴也是土星的一大谜团。

  在2010年底和2011年上半年这一时间段,“卡西尼”号探测器第一次近距离观测到土星大风暴。这场席卷土星长达6个月的特大风暴成为土星观测史上持续时间最长的天气,在高峰时期,约有20亿平方公里的云层。

  科学家们认为,相比较其他气态行星,土星风暴在体积上是非常巨大的。由于上一次人类观测到土星大风暴已经是30年前了,所以坊间一直有一个神秘传闻——土星大风暴大约在每30年左右出现一次周期循环,并且这暗示着大风暴与土星的季节存在着某种联系。

  但是平劲松认为这一说法仍缺乏确凿的科学依据,“现在确切的说法是30年前,我们观测到了类似的大风暴,但由于人类对土星的探测中间有很长时间是间断的,所以这个大风暴是不是一定是30年一个周期,目前还不能确定。”

  这一巨型风暴的起源和动力源目前科学家还没有找到,风暴强大的能量从何处而来还有待进一步的探索。

  土星系统会不会有宜居环境?

  科学家表示未来探索将聚焦生命

  历史上,人类关于土星的探测并不是太多,而最近10多年来,“卡西尼”号探测器的存在成为了关注土星的科学家们最兴奋的事——一系列关于土星的最新发现都从它而来。

  平劲松说,“卡西尼”在土星系统飞了10多年,最近半年,探测器降低了轨道,穿越土星环,穿越得很有技巧,美丽而悲壮,才有了这次的新发现。今年9月,“卡西尼”将结束任务,届时大家对土星的关注可能会达到新的高潮。他介绍,中国的科学家最近几年也一直在跟踪“卡西尼”号探测器的探测数据。“关于土星的事,人们知道得不少,只是关于大气和空气的一些状况,还在进一步探索研究当中。”平劲松说。

  从现在的研究结果看来,土星上有冰、有水,会不会有生命家园呢?这是科学家们未来研究的关键方向。下一步,以美国为主的国家和机构将主要针对土星的卫星上是否存在适宜居住的环境,是否存在高级有机分子或是微生物等方向进行探测和研究。平劲松说,他和同行们还特别关注一点,那就是有没有可能把地球上一些能在极端环境下生存的微生物移居到土星上,这个研究结果实在让人期待。

  相关链接

  土星的一天到底有多长?10个半小时

  如何衡量土星的一天,或者说如何确定气态行星上的一天到底有多长,是一个棘手的问题,这不像岩质行星上有着明显的标志性的地形进行区分确定,如果通过气态行星上的云层标志确定自转周期也存在着代表不充分的问题。

  对此,科学家采用了一种方法,通过测量行星上自然发射的电波信号进行确定,这种技术已经应用于测量木星的自转周期。在2004年,“卡西尼”号探测器通过这个方法测量了土星上的一天,大约比现有的数据多了6分钟。

  然而,后续研究表明,这种方法对土星来说还存在问题,土星电波信号由其磁场产生,而土星磁场与自转存在不同步的问题,所以通过测量不同步的磁场信号判断土星的自转是存在问题的。

  因此,科学家对此不得不进行数据平均,也就是通过平均“先锋”号探测器、“旅行者”号探测器以及“卡西尼”号探测器所测量的结果,从而得出“最佳”数据——土星的一天大约是地球上的10小时32分35秒。

(责任编辑:王蔚)

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