土星環(huán)到底有多重？約為南極冰蓋質量的一半
土星與多重土星環(huán) 圖片來源：ScienceNews
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最近，科學家確定了土星環(huán)的質量，它約為地球南極冰蓋質量的一半，并估計它很可能在3億年后消失，相關研究發(fā)表在近日的《科學》雜志上。值得一提的是，該數(shù)據(jù)來自“卡西尼號”。2017年9月15日，"卡西尼號"永久地墜入土星大氣，在“臨死”時，它不忘使命，拍下了美麗的土星環(huán)。
撰文 | 孫珂劍
責編 | 葉水送
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天上星星最美的是哪一顆？大概有不少人在孩提時代托著腮幫想過這個問題。沒有多少懸念，如果要在太陽系舉辦群星“選美”大賽，土星一定能憑借其閃耀且端莊的“明星光環(huán)”C位出道。
土星的配置可以說是相當“奢華”，它主要由氫與氦構成，直徑約為地球直徑的9倍（不包括土星環(huán)），光已確認的衛(wèi)星就有53顆，甚至還腰纏一條金閃閃的土星環(huán)。人們一直想搞清楚土星環(huán)到底所為何物又從何而來。
“卡西尼號”探索土星概念圖，圖片來源：NASA
近日，科學家分析“卡西尼號”傳來的土星數(shù)據(jù)，為我們一次性揭開了它的質量與壽命之謎。“卡西尼號”？是的，就是那個最終墜入土星大氣，悲壯逝去的探測器，它在臨死前，也不忘記使命，拍下了土星環(huán)。
土星環(huán)中的冰與石
可更好地揭示太陽系的奧秘
看似固態(tài)且靜止不動的土星環(huán)，原來是由無數(shù)大小不一的顆粒構成，其中大部分是冰，還有一些巖石。當軌道速度產生的離心力與土星引力達到平衡，這一顆顆冰與石便穩(wěn)穩(wěn)地圍繞土星旋轉起來。
別看土星環(huán)這么美，它的來源都是“太空垃圾”。太陽系形成初期，空中漂滿了殘骸與碎片，一些彗星和小行星偶然“路過”，土星在這一片混亂之中悄然伸出“引力之手”，捕獲了大量物質，構成一條環(huán)帶，它就是土星帶。
美國NASA戈達德空間飛行中心（NASA’s Goddard Space Flight Center）的科學家James O’Donoghue將土星環(huán)比作“飛翔的墳墓”，這一看似駭人的比喻，道出了土星環(huán)的實質，我們從中或許能窺見更多關于太陽系的奧秘。
2007年藝術家創(chuàng)作的關于土星環(huán)顆粒的繪畫作品，圖片來源：NASA
在最新研究中，科學家進一步確認了土星的自轉周期為10小時33分鐘，他們還發(fā)現(xiàn)土星環(huán)的總質量大約為 (1.54± 0.49)×1019 kg ，大約是地球上南極冰蓋總質量的一半。你或許已經發(fā)現(xiàn)，這一數(shù)字的誤差高達20%-30%，但參與“卡西尼號”的NASA科學家Bonnie Buratti表示，這已經是迄今為止我們能得到的關于土星環(huán)質量的最精確數(shù)據(jù)啦。
土星的“明星光環(huán)”
3億年后將要消逝？
事實上，此次科學家不僅計算出了土星環(huán)的質量，他們還有了一個或許令人有些悲傷的發(fā)現(xiàn)：土星環(huán)中的物質正在不斷流失，預計整個土星環(huán)將在3億年后消失。
為什么土星環(huán)會消失？這是由于陽光照射及其他宇宙反應，會將原本的惰性物質轉變?yōu)閹щ婎w粒，轉變后的顆粒更容易被土星“吸進”厚厚的大氣層，進而蒸發(fā)、降落。根據(jù)O’Donoghue的推算，每秒鐘這一過程會使約2噸（4400磅）物質，從環(huán)中降落到土星表面上。
好在目前土星環(huán)正值“青春年華”，我們還能一睹土星環(huán)的風采。此前關于土星環(huán)的形成時間一直存在著較大的爭論，一部分科學家認為它是和土星一起形成的，也就是大約在46億年前，而另一部分則認為土星環(huán)要比土星年輕得多。最新的研究發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)形成于1千萬到1億年前，它才剛剛走完生命歷程的1/4左右，還有約3億年的時間讓我們欣賞它的美麗。
1981年“旅行者2號”飛船拍攝的土星環(huán)照片（圖片經色彩加強處理），圖片來源：NASA
實際上，盡管土星環(huán)如此美麗、如此引人注目，但其實它在宇宙中并不特殊，基于土星環(huán)和土星的“年齡”差距如此懸殊，科學家甚至猜想目前這條土星環(huán)可能已經不是第一條了。除此之外，我們所熟知的木星、天王星、海王星也有行星環(huán)，這與星體引力、太陽風等因素有關。
“卡西尼”號造訪豐收之神
土星環(huán)的質量與年齡之謎終于解開，這距離我們與土星的第一次“相遇”已經過去了400多年。1610年，人類首次在伽利略望遠鏡中確認了土星的存在，驚嘆于它碩大的體積與炫目的金色環(huán)帶，人們以古羅馬神話中農業(yè)與豐收之神Saturn的名字將其命名。
古羅馬神話中的農業(yè)與豐收之神Saturn，圖片來源：Pinterest
1979年，由美國航天局發(fā)射的“先鋒11號”（Pioneer11）飛行器成功飛掠土星邊緣，這是人造飛行器首次踏入豐收之神的地盤。隨后兩年，旅行者1號、旅行者2號也完成了對土星的飛掠任務。
“卡西尼”號探測器，圖片來自wikimedia.org
真正為我們帶回大量土星信息的是“卡西尼-惠更斯號”（Cassini-Huygens，簡稱卡西尼號），它由美國航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和意大利航天局（ASI）聯(lián)合研發(fā)，于1997年發(fā)射升空，2004年進入土星軌道，先后對土星及其衛(wèi)星進行了多次飛掠，并發(fā)現(xiàn)了土星上的液態(tài)水和一個亮度較低的直徑更大的土星環(huán)。
為了測算土星環(huán)質量，“卡西尼號”曾在最內側土星環(huán)和土星表面之間往返6次，距離云層頂端最低高度為2600-3900km。
2017年9月15日，陪伴土星13年之后，“卡西尼號”按計劃消失在了土星茫茫的大氣層中。直到今天，它發(fā)出的數(shù)據(jù)仍在傳送。
參考資料：
[1] The Massive Mystery of Saturn’s Rings-TheAtlantic https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/01/saturn-rings-cassini/580696/
[2] Measurement and implications of Saturn's gravity field and ring mass-Science http://science.sciencemag.org/content/early/2019/01/16/science.aat2965?rss=1
[3] NASA's Cassini Data Show Saturn's Rings Relatively New-NASA https://solarsystem.nasa.gov/news/813/nasas-cassini-data-show-saturns-rings-relatively-new/
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