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土星的行星环可能比你想象得要年轻!科学家:或在恐龙时代才出现
发布时间:2019-11-30
  土星的行星环可能比你想象得要年轻!科学家:或在恐龙时代才出现

当卡西尼号穿过土星环平面时,一幅真实的土星及其行星环照片与卡西尼号太空船的概念图形成对比。来源:NASA/JPL-Caltech

土星的行星环并不是从一开始就有的——一项新的研究发现,土星的行星环可能在恐龙时代才出现,或者在恐龙时代之后。

土星行星环的年龄一直都存在争议。一些研究人员认为,太阳系形成之后,大约在45亿年前,这些标志性特征和其围绕的行星都是的由其附近轨道上留下的冰冷碎石形成的。另一些人则认为土星环非常年轻,可能是在土星的引力将彗星或冰冷的卫星撕裂后形成的。

解决这个谜团的一个方法是为土星环称重。这些行星环最初是由明亮的冰构成的,但随着时间的推移,这些冰已经被来自太阳系外围的碎片污染和变得更加暗。几年前,美国国家航空航天局(NASA)围绕土星轨道运行的“卡西尼号”(Cassini)任务确定,土星环只有大约1%是肮脏的。该研究的主要作者、罗马萨皮恩扎大学(Sapienza University of Rome)的行星科学家卢西亚诺·伊斯(Luciano Iess)说,如果科学家们能称出土星环的重量,他们就能估算出这些土星环积累足够多的污染物、使土星环的1%变得肮脏所需要的时间,从而计算出土星环的年龄。

Iess和他的同事依赖于更多的卡西尼号数据。在该航天器于2017年9月坠入土星大气层之前曾经在土星和土星环之间滑行,任由土星和土星环的引力牵拉着它。一个物体的引力大小取决于它的质量,通过分析卡西尼号在其任务的尾声阶段被拉向不同方向的程度,任务团队可以测量土星及其行星环的引力和质量。

“卡西尼”号在土星云层上方1615英里到2425英里(2600到3900公里)的高度六次穿越了土星和土星环,在这些穿越中,科学家监测了飞船和地球之间的无线电联系。就像救护车的警报声在车辆向你驶来的时候音调会变高,在车辆驶去的时候音调会变低一样,无线电信号的波长会随着信号源离开地球而变长,随着信号源靠近地球而变短——这种效应被称为多普勒频移。

Iess说:“我感到很惊讶,我们竟然可以衡量一个距离地球13亿公里(8.07亿英里)的宇宙飞船的速度,并且准确度达到了蜗牛速度的百分之一或者千分之一——几百毫米每秒。”

先前根据旅行者号飞越土星的数据估计,土星环的质量约为2800亿吨。但卡西尼号传回的新数据显示,土星环的质量只有1540亿公吨。(最大的小行星谷神星的质量约为9.39亿吨。)

总的来说,研究人员认为这些土星环形1000万年到1亿年前形成。相比之下,恐龙时代结束于6600万年前。

卡西尼号任务的结尾也揭示了土星内部结构的关键细节。例如,它发现有急流环绕着土星的赤道——这是在太阳系中测量到最强的急流,风速高达每小时930英里(1500公里/小时)——扩展深度至少达5600英里(9000公里),在土星上快速地移动着大量物质,速度是其底层的4倍之多。

加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的“卡西尼”项目科学家琳达·斯皮尔克(Linda Spilker)在一份声明中说,“深度旋转层的发现是对这颗行星内部结构的惊人揭示。”斯皮尔克没有参与这项研究,但他说:“问题是,到底是什么原因导致大气中旋转速度更快的部分下沉到如此深的位置?这告诉了关于我们土星内部的什么情况?”

新的发现还表明,土星岩石内核的质量大约是地球的15到18倍,与之前的估计类似。

科学家们在1月17日的《科学》杂志上详细介绍了他们的发现。