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再见了,“雨后即逝”的土星环?

大约400年前,伽利略通过望远镜观测到了土星精致而绚丽的土星环,它就像一枚巨大而华丽的“指环”,包围着土星,但这枚“指环”现在正在以惊人的速度消失。而我们有可能在无从知晓土星环形成秘密的时候,就要和它说再见了。

来历不明

土星是太阳系中一个非常独特的行星。虽然木星、天王星和海王星这样的气态巨行星也有行星环,但没有一颗行星的环像土星环这般雄伟和壮丽,它的宽度甚至达到了几十万千米!这样一个独特的行星环引起了科学家们的强烈关注:它究竟是如何形成的?

土星环是太阳系中最引人注目的行星环,环中有许多大小不一的颗粒,计量单位从微米到米不等。环中的主要成分是冰粒(大约95%)以及少量的岩石残骸、尘土和其他的化学物质,环的形状像是一个绕着土星旋转的、有环缝的圆盘。这个圆盘的平均宽度大约是20万千米,而地球的直径是1.28万千米左右,计算一下,这个圆盘竟可并排放上十几个地球呢!可想而知土星环该是如何地巨大。

有人认为,这个巨大的土星环是土星卫星向土星迁移导致的。大约40亿年前,土星卫星和土星相互作用,导致卫星向土星迁移。在迁移过程中,卫星的冰壳在土星的引力作用下,从卫星上被撕裂剥落,形成了数不尽的纯净冰粒。这些冰粒形成了土星环,剩下的卫星内核则被土星吞噬。但卡西尼号太空探测器(2004年开始对土星进行考察,2017年燃料用尽后进入土星,成为土星的一部分。)拍摄的土星环照片却和这个理论相悖。

就像纯白衣物会被灰尘“染黑”一样,纯净的冰粒诞生后,也会被星际尘埃和灰土“染黑”。如果冰粒真的是在40亿年前形成的,那么冰粒已经被“染”了40亿年,现在的土星环即便不是黑色,也应该是暗色的才对,但卡西尼号拍摄到的土星环整体却呈白色,这证实冰粒还是纯净的。

正因如此,大部分人更倾向于相信土星环刚诞生不久,也许只有1亿年到2亿年。和土星的40亿年“高龄”比起来,年龄只有1亿年到2亿年的土星环着实像一个刚出生的、纯净无暇的婴儿。与此同时,人们对土星环的形成也有了新的看法:1亿年到2亿年前的某一天,土星轨道上的冰壳卫星被路过的行星或彗星的引力扰动,原本在不同轨道“相安无事”运行着的卫星,运行轨道突然发生了变化。在某个时刻,轨道发生变化的卫星“撞车”了,“撞车”导致卫星冰壳发生分裂剥落,最终形成了土星环。

但这一假说同样存在缺陷。试想一下,两个高速运转的物体发生碰撞,必定会产生无数向外高速喷射的碎片,有什么东西可以保证这些向外高速喷射的碎片都围绕着某个中心点旋转呢?可能土星的引力都不一定能做到。

所以到现在为止,土星环的形成机制依然是迷雾重重。而科学家们发现,在还没来得及解释土星环形成机制的时候,它却已经“收拾行囊”,准备消失在我们的视线中了。

“雨后即逝”

“能够看到土星环,我们很幸运。遗憾的是,我们错过了木星、天王星和海王星巨大的行星环,它们现在只有薄环。”一位科学家说。而卡西尼号探测器最后一次的飞行显示,土星环也在慢慢变薄!变薄的原因是土星环内的大量冰粒进入土星,并在土星上空下起了暴雨。

前文提到,土星环主要由冰粒组成,它们大小不一、形状各异,有的小到像一颗沙子,有的则大到像一块岩石。这些冰粒在土星环内保持着一种微妙的力平衡:土星的引力想把它们拉入土星,轨道速度却想把它们抛向太空。

当受到太阳的紫外线或是陨石撞击产生的等离子体等物质的作用时,冰粒会带电,带电的冰粒可以感受到向内的土星磁场的拉力,冰粒上的平衡被打破,土星引力会带领这些冰粒沿着磁场方向进入土星,并在引力作用下发生坠落。

当进入到土星大气层时,带电冰粒产生的水会和土星高层大气的电离层发生化学反应,形成大量降雨的同时,还会产生可以发出红外光的H3+离子。夏威夷的凯克望远镜观察到,H3+发出的红外光的强弱和降雨量有着密切联系:当降雨量很小时,H3+离子的红外光很强烈;当降雨量很大时,H3+离子发出的红外光反而很微弱。

科学家们分析了这些红外光,并结合旅行者1号和旅行者2号(均是太空探测器)的观测结果发现:土星环向土星倾注了太多的水,甚至达到每秒1800千克;在土星赤道附近,偶尔还会下起大暴雨,其造成的降雨量高达每秒9900千克!它会加速土星环的消亡,以至于在3亿年甚至1亿年内,土星环可能就会消亡。也就是说,土星环的寿命可能只有2亿年到5亿年。

想象一下,没有环的土星是什么样子的?它看上去会十分普通,也不再是太阳系的奇迹之一。所以,现在我们应该尽可能地去探索这个神秘的“指环”,力求在它“雨后即逝”之前,洞悉它的形成秘密之后,再跟它说一声:“再见。”

小贴士

为什么降雨量越大,红外光越弱?

红外光又叫红外线,是波长比可见光要长的电磁波,会产生红外辐射。在传输过程中,红外辐射会被传输介质颗粒吸收和散射,因此辐射能会在传输过程中逐渐衰减。当雨下得越大时,雨水颗粒越多,红外辐射被吸收和散射的现象越严重,因此红外光越弱。

等离子体是什么?

等离子体是宇宙中一种十分常见的物质,它由离子、电子以及未电离的中性粒子(对外不呈电性)的集合组成,整体呈中性,是不同于固、液、气的物质状态。常见的等离子体是高温电离气体,如日光灯中的发光气体。

7个关于土星的有趣事实

1.土星是太阳系所有行星中,唯一一个密度比水小的行星,仅有0.68克每立方厘米。如果把它放在水里,它会漂浮在水面上。

2.土星是太阳系中体积仅次于木星的行星,可以容纳760多个地球。

3.土星不像可以“脚踏实地”的地球,它没有固体表面,因此你不能站在土星上。土星主要由氢和氦构成。

4.土星上的风很大,赤道附近的风速甚至达到每小时1800千米。在地球上,最快的风可能只有每小时400千米。

5.土星绕轴旋转很快,土星上的一天约为10小时41分钟;但土星绕太阳旋转很慢,土星上的1年超过29个地球年。

6.由于绕轴旋转得太快,土星变得扁平,赤道半径比极地半径大了近10%,赤道半径约为60268千米,极地半径约为54364千米。

7.土星(Saturn)是英文单词“Saturday”(星期六)的词根。

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