新研究顯示土星可能有一個更大的彌散核？
通過將引力數(shù)據(jù)與土星環(huán)震的觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供了對土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的新認(rèn)知 | 圖源：pixabay.com
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美國東部時間8月16日《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）上發(fā)表的一篇論文指出，土星環(huán)的震蕩更新了人們對于土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知?？ㄎ髂崽柾列翘綔y器的數(shù)據(jù)顯示，土星有一個缺乏清晰邊界的彌漫核，這一發(fā)現(xiàn)限制了土星形成和演化的可能方式。[1]
巨行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法直接觀測，天文學(xué)家們通常需要借助繞其旋轉(zhuǎn)的探測器，再研究其引力場的詳細(xì)構(gòu)形來確定結(jié)構(gòu)。然而，行星核（行星最中心部分）對行星引力場造成的擾動十分微弱，這會限制確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)時所能達(dá)到的精度。一般認(rèn)為，土星這個氣態(tài)巨行星有一個金屬核，核周圍有一個主要由氫和氦組成的包層。
上述論文作者、加州理工學(xué)院教授 Christopher Mankovich 和 Jim Fuller 研究了土星，通過將引力數(shù)據(jù)與土星環(huán)震的觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，更新了人們對土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。
兩位研究者發(fā)現(xiàn)，土星核的大小一直延伸至土星半徑的約60%，顯著大于之前的估算，并且土星核是由混合了氫、氦的彌漫物質(zhì)與重金屬共同組成，核與包層之間沒有清晰的界限。這些信息給土星本身的演化歷史提供了新的限制條件。[2]
太陽系中每一個行星都存在一個核心。除此之外，行星的內(nèi)部通常是一個明顯的分層結(jié)構(gòu)。以我們生活的地球?yàn)槔?，地球的核心分固態(tài)內(nèi)核心和液態(tài)外核心，均主要由鐵和鎳組成。正是液態(tài)核心的流動產(chǎn)生了地磁場，保護(hù)我們免受宇宙射線輻射。核心外是一層柔軟的地幔再包裹上一層堅(jiān)硬的地幔，而最外面是一層薄薄的地殼。整個地球的內(nèi)部就像洋蔥一樣，剝開一層又一層。[3]
對行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究也有助于揭示行星本身的演化歷史。
以太陽系為例，早期太陽系就是一個混沌的塵埃盤。在引力作用下塵埃逐漸聚集成團(tuán)，如滾雪球一般在繞中心的軌道上 “掃蕩”，最后形成原始的行星。
大量的引力勢能在這樣的過程中得到釋放，同時太陽系早期也有大量的輻射性元素。這些能量最后都變成了行星的內(nèi)部熱量，讓巖石變得柔軟甚至于處于液態(tài)的熔融狀態(tài)，這樣行星內(nèi)部的物質(zhì)就具有了很好的流動性。在引力的作用下，密度低的物質(zhì)往上浮，密度大的物質(zhì)往中心下沉。就像你把不同液體混合在一起靜置一段時間，最終不同的液體會分開，一種液體占據(jù)一層。
1797年，英國科學(xué)家亨利·卡文迪許 （Henry Cavendish）——就是測量出萬有引力常數(shù)那位卡文迪許，計算出地球的平均密度大約是水的5倍多 [4]。到今天，相信任何具有高中物理知識的朋友都能完成這個工作。這密度看上去似乎并不大，但由于地表的巖石密度基本上不會超過水的三倍左右，可以推測，地球內(nèi)部的密度要大得多。限于當(dāng)年的科技水平，卡文迪許沒法更細(xì)致地研究地球內(nèi)部。之后在1898年，俄羅斯地球物理學(xué)家維切特（Wiechert）推測地球的組成與鐵隕石類似，以此建立了一個以鐵和鎳為核心的地球內(nèi)部模型 [5]。
真正的突破是在1906年，英國地理學(xué)家理查德·迪克森·奧爾德姆（Richard Dixon Oldham）通過對地震波中P波的觀測探測到了地球核心的存在 [6]。之后幾十年的地震學(xué)的研究幫助科學(xué)家清晰的確認(rèn)了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地震會在地層中產(chǎn)生兩種地震波——橫波（S波）和縱波（P波），這兩種波在同種介質(zhì)中傳播速度不同，同時這兩種波在物質(zhì)的分界面上也會發(fā)生反射和折射。在全球?qū)Φ卣鸩ㄟM(jìn)行監(jiān)測就可以推算出地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)。
所以，我們能對地球的結(jié)構(gòu)了解得這么清楚，得益于我們就生活在地球之上。不過，哪怕是這樣，我們至今沒法直接對地球的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。畢竟，目前人類最深的鉆井——科拉超深鉆井 [7]，也才不過一萬多米深，最多剛剛打穿地殼（地殼的厚度大約在5～70千米之間）。
對于地球以外的行星，我們基本無法登陸，就只能采取更加間接的方法去推測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。要探測到內(nèi)部的信息，就一定需要搜集到從內(nèi)部傳出來的信號。既然地震波不能用了，電磁波也無法穿透厚厚的地層，那就只有用萬物皆有的引力來搜集信息了。
引力勢能的公式是
。然而，這個公式只能用于計算均勻球體之外的引力場。如果是一個不均勻的球體，甚至是橢球體，就需要用到更高級的方法。
真空中的引力場滿足拉普拉斯方程。給定邊界條件，求解這個方程就能得到行星的引力場分布。這個方程的解可以用球諧函數(shù)展開，最后得到的結(jié)果就是均勻球體的引力場外加上無窮多修正項(xiàng)。這些修正項(xiàng)其實(shí)就是對行星的不均勻性的描述，越高級的項(xiàng)影響越小。實(shí)際操作中只需要考慮前幾項(xiàng)就夠了。
那么，只要我們發(fā)射探測器對行星周圍的引力場進(jìn)行測量，根據(jù)數(shù)據(jù)與方程進(jìn)行擬合，就能確定修正項(xiàng)的參數(shù)，從而確定行星的引力場。根據(jù)引力場的分布我們就能大致推測行星的質(zhì)量分布，以此確定行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
比如2004年NASA向水星發(fā)射的 “信使號” 探測器就配備了非常精密的儀器用于確定探測器的速度和位置。通過探測到的速度和位置就能算出其受到的引力大小，再排除太陽的引力影響就能確定行星的引力場。我們也因此得到了更多的關(guān)于水星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。[8]
除此之外，探測行星的磁場，觀察表面的火山活動等方法也能獲得一部分的內(nèi)部信息，但是都沒有直接觀測引力場獲得信息那么全面，這里就不一一贅述了。
引力場的分布對行星核心的信息并不是特別敏感，因此通過引力場分布能很好的確定行星靠外的結(jié)構(gòu)，但是對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解十分模糊。
相對于其他行星來講，土星有一個特別的地方就是它有一圈由巖石和冰塊組成的環(huán)。土星自身的引力場當(dāng)然也會影響環(huán)內(nèi)物質(zhì)的分布。NASA在1997年發(fā)射升空的 “卡西尼號”，我想大家并不陌生。那張著名的由土星回望地球的照片便是它所拍攝?！翱ㄎ髂崽枴?在土星環(huán)上發(fā)現(xiàn)了一些特別的波動，這些波動就像是水中的漣漪一樣在環(huán)上傳播。經(jīng)過初步的計算，這些波動不可能是土星衛(wèi)星的引力攝動造成，只能是土星內(nèi)部的引力影響而成 [9]。
土星物質(zhì)各種類型的非均勻分布能讓引力場產(chǎn)生不同的變化，數(shù)學(xué)上可以用不同的函數(shù)來表達(dá)不同的分布模式，將每種不同的分布模式疊加起來就能得到總的引力場分布，這就是上面提到過的球諧函數(shù)展開的原理。不同的模式就能讓土星的引力場產(chǎn)生不同模式的微小波動，這個波動就會在土星環(huán)上產(chǎn)生密度波，就像水中的漣漪。用觀測數(shù)據(jù)和理論模型進(jìn)行擬合就能確定土星環(huán)上的這些波動具體是由何種模式產(chǎn)生的。找出了所有可能的模式，將他們疊加起來就能得到更精確的引力場的信息。結(jié)合探測器所觀測到的土星的引力場，就能更加精確的確定土星內(nèi)部的質(zhì)量分布。
事實(shí)上，本文開頭提到的論文就是用了這種方法，對土星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出了比以前更加精確的預(yù)測。土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的引力場波動被土星環(huán)記錄下來進(jìn)而被我們觀測到，就好像是我們 “聽” 到了土星 “心臟跳動” 的聲音。
上述論文中，作者們最后得出結(jié)論——土星的內(nèi)核彌漫到了土星半徑的60%，而且這個核心可能是逐漸過渡到外層，和外層之間沒有非常清晰的界限。
——太陽系其他行星結(jié)構(gòu)研究情況 [3]
結(jié)合NASA 2004 年發(fā)射的信使號（MESSENGER）探測器的觀測，研究者們目前認(rèn)為水星有一個非常大的內(nèi)核，大約占據(jù)整個水星半徑85%。因此也有人認(rèn)為水星在演化過程中丟失了大量外殼物質(zhì)。水星外層主要是以硅為主的地殼和地幔。而水星的 “心” 可能有一個三層結(jié)構(gòu)——最外層是固態(tài)的硫化鐵，中層是液態(tài)，核心可能是固態(tài)。
就目前所知的信息，金星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與地球十分相似。不愧是地球的 “好兄弟”。
火星半徑大約是3300km。其擁有一個高密度的核心，可能半徑為1500～2100km。包裹著核心的是一層1240～1880km厚的巖石地幔。火星的地殼大約10～50km厚，由鐵，鎂，鋁，鈣，鉀等元素組成。
木星主要由氫和氦組成。表面就是氫氣和氦氣形成的大氣。往深處走因?yàn)榫薮蟮膲毫?，氫和氦會呈液態(tài)。有理論認(rèn)為，在木星的更深處，氫的電子會因?yàn)楦邷馗邏憾粍冸x，由于木星的自轉(zhuǎn)會因此形成強(qiáng)大的電流以維持木星當(dāng)前強(qiáng)大的磁場。至于木星的核心組成目前還不得而知，推測其可能由鐵和硅的礦物組成，溫度可達(dá)5萬攝氏度。
和木星類似，土星主要由氫和氦構(gòu)成。其核心可能是金屬鐵和鎳，核心外包裹著一層高密度的巖石和冰塊。往外是氫和氦的液態(tài)海洋，最后是氫和氦形成的大氣。
因?yàn)榫嚯x甚遠(yuǎn)，這兩個行星的觀測數(shù)據(jù)相對來說要少很多，知道的也少很多。這兩個星球可能都是一個80%質(zhì)量由固態(tài)或液態(tài)的水、甲烷、氨氣所組成的大冰球，同時有一個很小的巖石核心。
隨著人類科技的發(fā)展，隨著儀器的精度不斷提高，我們能夠越來越精準(zhǔn)地觀測太陽系內(nèi)的各個天體，也能發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)。近年來火爆的引力波測量理論上也可以用來對各個行星的引力場進(jìn)行更精確的測量，只不過是技術(shù)和成本的問題。我們對太陽系觀測的越深入，也就能對我們星系的演化歷史掌握的更清楚，大概也就能更好的回答出“我們從何而來”這樣的問題。
