土星与多重土星环  图片来源：ScienceNews

撰文 | 孙珂剑

责编 | 叶水送

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天上星星最美的是哪一颗？大概有不少人在孩提时代托着腮帮想过这个问题。没有多少悬念，如果要在太阳系举办群星“选美”大赛，土星一定能凭借其闪耀且端庄的“明星光环”C位出道。

土星的配置可以说是相当“奢华”，它主要由氢与氦构成，直径约为地球直径的9倍（不包括土星环），光已确认的卫星就有53颗，甚至还腰缠一条金闪闪的土星环。人们一直想搞清楚土星环到底所为何物又从何而来。

“卡西尼号”探索土星概念图，图片来源：NASA

近日，科学家分析“卡西尼号”传来的土星数据，为我们一次性揭开了它的质量与寿命之谜。“卡西尼号”？是的，就是那个最终坠入土星大气，悲壮逝去的探测器，它在临死前，也不忘记使命，拍下了土星环。

看似固态且静止不动的土星环，原来是由无数大小不一的颗粒构成，其中大部分是冰，还有一些岩石。当轨道速度产生的离心力与土星引力达到平衡，这一颗颗冰与石便稳稳地围绕土星旋转起来。

别看土星环这么美，它的来源都是“太空垃圾”。太阳系形成初期，空中漂满了残骸与碎片，一些彗星和小行星偶然“路过”，土星在这一片混乱之中悄然伸出“引力之手”，捕获了大量物质，构成一条环带，它就是土星带。

美国NASA戈达德空间飞行中心（NASA’s Goddard Space Flight Center）的科学家James O’Donoghue将土星环比作“飞翔的坟墓”，这一看似骇人的比喻，道出了土星环的实质，我们从中或许能窥见更多关于太阳系的奥秘。

2007年艺术家创作的关于土星环颗粒的绘画作品，图片来源：NASA

在最新研究中，科学家进一步确认了土星的自转周期为10小时33分钟，他们还发现土星环的总质量大约为 (1.54± 0.49)×10¹⁹ kg ，大约是地球上南极冰盖总质量的一半。你或许已经发现，这一数字的误差高达20%-30%，但参与“卡西尼号”的NASA科学家Bonnie Buratti表示，这已经是迄今为止我们能得到的关于土星环质量的最精确数据啦。

事实上，此次科学家不仅计算出了土星环的质量，他们还有了一个或许令人有些悲伤的发现：土星环中的物质正在不断流失，预计整个土星环将在3亿年后消失。

为什么土星环会消失？这是由于阳光照射及其他宇宙反应，会将原本的惰性物质转变为带电颗粒，转变后的颗粒更容易被土星“吸进”厚厚的大气层，进而蒸发、降落。根据O’Donoghue的推算，每秒钟这一过程会使约2吨（4400磅）物质，从环中降落到土星表面上。

好在目前土星环正值“青春年华”，我们还能一睹土星环的风采。此前关于土星环的形成时间一直存在着较大的争论，一部分科学家认为它是和土星一起形成的，也就是大约在46亿年前，而另一部分则认为土星环要比土星年轻得多。最新的研究发现，土星环形成于1千万到1亿年前，它才刚刚走完生命历程的1/4左右，还有约3亿年的时间让我们欣赏它的美丽。

1981年“旅行者2号”飞船拍摄的土星环照片（图片经色彩加强处理），图片来源：NASA

实际上，尽管土星环如此美丽、如此引人注目，但其实它在宇宙中并不特殊，基于土星环和土星的“年龄”差距如此悬殊，科学家甚至猜想目前这条土星环可能已经不是第一条了。除此之外，我们所熟知的木星、天王星、海王星也有行星环，这与星体引力、太阳风等因素有关。

土星环的质量与年龄之谜终于解开，这距离我们与土星的第一次“相遇”已经过去了400多年。1610年，人类首次在伽利略望远镜中确认了土星的存在，惊叹于它硕大的体积与炫目的金色环带，人们以古罗马神话中农业与丰收之神Saturn的名字将其命名。

古罗马神话中的农业与丰收之神Saturn，图片来源：Pinterest

1979年，由美国航天局发射的“先锋11号”（Pioneer11）飞行器成功飞掠土星边缘，这是人造飞行器首次踏入丰收之神的地盘。随后两年，旅行者1号、旅行者2号也完成了对土星的飞掠任务。

“卡西尼”号探测器，图片来自wikimedia.org

真正为我们带回大量土星信息的是“卡西尼-惠更斯号”（Cassini-Huygens，简称卡西尼号），它由美国航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和意大利航天局（ASI）联合研发，于1997年发射升空，2004年进入土星轨道，先后对土星及其卫星进行了多次飞掠，并发现了土星上的液态水和一个亮度较低的直径更大的土星环。

为了测算土星环质量，“卡西尼号”曾在最内侧土星环和土星表面之间往返6次，距离云层顶端最低高度为2600-3900km。

2017年9月15日，陪伴土星13年之后，“卡西尼号”按计划消失在了土星茫茫的大气层中。直到今天，它发出的数据仍在传送。

参考资料：

[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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