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拉尼亚凯亚超星系团是宇宙大尺度结构双鱼-鲸鱼座超星系团复合体其中的一部分结构,而土星也是拉尼亚凯亚超星系团的其中一小部分,土星也被称为 【草帽星】,它是整个太阳系当中最漂亮的一颗行星,原因就是它那独一无二的土星环。
图解:「拉尼亚凯亚超星系团」图中黑点是银河系
即将消失的土星环
在卡西尼号围绕土星探测的最后几个月当中,美国宇航局·NASA让这个航天器在行星的云顶附近,到土星环最内侧的边缘空间内进行了一系列大胆地穿行轨道试验,用这一连串漂亮的环间俯冲结束了它不寻常的生命,卡西尼号最终在2017年9月15日,在土星大气层中燃烧殆尽,使得它围绕土星轨道长达13年的科学历程画上了令人赞叹的句号。
图解:「卡西尼号」围绕土星探测
这个安排是美国宇航局·NASA在很久之前就已经决定的,当卡西尼号的燃料已经不足时,为了避免它意外地撞到土星潜在的两颗可能适合生命居住的卫星:土卫二·恩克拉多斯(Enceladus)或者土卫六·泰坦(Titan)。任务控制者安排它一头扎向土星的大气层载体高空燃烧,以此来避免它对原始的外星环境可能带来的地球性污染。
图解:燃烧的卡西尼号
不过就在卡西尼号浴火身亡之前,它对神秘的土星环的间隙区域进行了前所未有的测量,并且揭示出了令人惊讶的土星环动力学,任务监控科学家原本希望卡西尼号在穿越这些空白的间隙区域时检测到一些稀疏的元素和气体,但实际上卡西尼的粒子仪器却发现了一系列的元素和分子正从土星环的边缘像“下雨”一样纷纷坠落到行星的大气外层。元素和分子这样的物质坠落每秒钟大约有10吨以上,所以在2018年一项研究就此得出结论——土星环将最终消失,其预期寿命可能不到1亿年。
图解:「卡西尼号」拍摄的最后一张图片
【土星内部有着异常的结构】
与土星目前估计的总寿命40亿年相比,这实在是有一些短暂,相关的研究人员正在利用卡西尼号最后穿越的数据来估算另一个问题,即——土星在何时获得了土星环。
当卡西尼号穿越土星环的间隙时,行星本身、土星环以及土星的卫星都会对快速飞行的卡西尼号航天器产生牵引作用,而极小的牵引带来的轨迹的微小改变都可以被精确地测量出来,这些变化数据可以让科学家们第1次非常精确地测量出土星环的质量。
然而在分析了2017年9月最后一组轨道数据之后,发现卡西尼号的轨迹偏转程度是有问题的,因为它与理论模型的预测不相符,最后的结果表明——卡西尼号的运动是被土星厚厚的大气层中、赤道下方9656公里深处的一个未知的物质流所改变着,这个大规模的物质流动的速度比可见的高层大气流动速度要慢上4%,从而导致了引力异常,而这点是之前没有预计到的。
美国宇航局·NASA喷气推进实验室的卡西尼项目科学家Linda spilker发表了一份声明说,这个深层的旋转层的发现,令人惊讶的意识到行星内部有着异常的结构,问题是究竟是什么让土星大气层中旋转得更快的那个部分是如此之深,这可能会告诉我们土星内部的不寻常的情况。
在解决了上述难题之后,科学家们就可以自如地测量土星引力的影响,根据估计,土星环的总质量大约是土卫一·米玛斯(Mimas)的40%,而土卫一比地球的卫星月球还要小上2000倍,这意味着土星环肯定没有多少物质。在此前科学家们曾经根据土星轨道上的62颗卫星的运动所带来的土星环密度的改变,也就是土星环波来估算土星环的质量,这些质量的估算值都比较低,所以天文学家们一度怀疑土星环当中可能有很多物质是隐藏不见的。
加利福尼亚大学伯克利分校的行星科学家·Burkhard Militzer在一份声明当中说,我们始终怀疑这些土星环的波动当中隐藏着一些看不见的质量,现在有了卡西尼号最终轨道的精确数据,我们终于明白,没有什么隐藏的质量。
图解:土星结构示意图
【土星环的年龄】
质量越低就意味着土星环的年龄越轻,土星环主要是由冰晶组成的,如果它的年龄较大的话,那么这些冰晶材料将会被行星间的碎片所污染,使得它们看起来更加的混沌,而科学家早就注意到土星环实际上是非常明亮、漂亮的,所以它不可能太老,质量也就不可能太重。根据卡西尼轨道数据推算出的土星环的新的年龄估计值是在较早的密度波估计值的范围之内的,而更新的数据可以使研究人员把这个范围大大地缩小了。
以前天文学家对土星环年龄的估计预知是较宽的,从45亿年到几千万年之间,现在有了这项新的发现,可以证明土星环比原先预想的还要年轻,它们形成的时间从不足1亿年到也许只有1,000万年前。
结语·土星环究竟是从何而来呢?
这个问题有一些不同的答案,最有可能的一种解释是,来自柯伊伯带的一个冰冷的物体或一个怪异的彗星,被土星的引力场缠绕,陷入其中,最后它屈服于土星强大的潮汐力,被撕扯、碎裂碾碎成了冰晶材料创造出了我们今天看得到和喜爱的土星环。
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