土星環中的奇怪「螺旋槳」

Shea

松鼠名片

謝懿，科學松鼠會成員，天文學博士，副教授，目前在南京大學天文與空間科學學院任教。此外，還擔任天文科普雜誌《天文愛好者》編委，以及一些科普文章的編譯者。個人簽名：把天文學帶給大眾。

（Shea/編譯）卡西尼土星探測器正在揭示出土星光環的微小細節，它們將為我們打開一扇通往太陽系最早期的大門。

十幾年來，卡西尼土星探測器一直徜徉在土星及其壯觀的光環中。與之前奔赴太陽系邊界僅瞥一眼土星的探測器不同，「卡西尼」年復一年地向地球發回了大量包含有驚人細節的圖像。

這些圖像揭開了許多有關土星、土星衛星和土星光環的謎題。不僅如此，這些詳細的觀測還為太陽系的形成提供了重要的線索。

土星的光環系統是目前我們所擁有的最接近45.5億年前誕生地球和其他行星的塵埃、碎石盤的東西。這個原行星盤成形於一團由超低溫氣體和塵埃組成的星雲在自身引力作用下的坍縮。隨著這個轉動的星雲逐漸收縮，它就形成了一個圍繞新生太陽的盤。一旦太陽吹散了這些氣體，盤中作軌道運動的碎石就和土星的光環系統極為相似。

卡西尼土星探測器所拍攝到的土星光環。（圖片來源：NASA/JPL/Space Science Institute）

從那時起，較大的天體就會開始從碎石中聚集起來。它們會逐漸生長，清空它們周圍的物質，它們的引力也會觸及到更遠的範圍。在生長天體間的競爭會導致同類相殘。形成一顆行星可能需要100 000年的時間和極為複雜的過程，但我們對此只有極少的觀測證據。行星形成理論遠沒有達到成熟的地步。

這正是土星光環有用武之地的地方。我們在光環中所看到的極其複雜的結構和難以置信的變化，告訴了我們許多有關行星形成的信息。其中最引人注目的是類似飛機螺旋槳形狀的結構。當看不見的土星衛星穿行於圍繞土星轉動的冰質碎塊時，就會產生這些痕迹。在土星寬14 000千米、厚僅10米的A環中已經發現了幾十個「螺旋槳」。

這些衛星本身太小了，直徑只有幾百米到幾千米，因此即便是「卡西尼」也無法直接看到它們。相比之下，它們產生的螺旋槳形痕迹則可以達到數千千米長，其中一些已經被觀測到達數年之久。它們的形成是由衛星的引力拖拽周圍的物質所造成的。位於衛星軌道內部的物質，因為更靠近土星，所以運動得較快，於是這一擾動迅速地壓制了衛星的影響，在其前方形成了一條長而窄的痕迹。這就是「螺旋槳」中的前導槳葉。與此同時，處於衛星軌道之外的物質運動得較慢，就形成了尾隨槳葉。類似螺旋槳的結構是行星形成過程中會率先出現的結構。

卡西尼土星探測器所拍攝到的土星光環中的螺旋槳形結構。（圖片來源：NASA/JPL/Space Science Institute）

土星較大的衛星則代表了行星演化的下一個階段。這些生長中的衛星具有充分的引力來掃除物質，在光環之間開鑿出縫隙。生長中的行星也是如此。隨著它們在原行星盤中逐漸長大，它們的影響也會增大。今天我們可以確切地看到這一過程的再現。土星的衛星土衛一直徑400千米，是一顆大小適中的衛星。它不僅掃除了位於其軌道上的碎塊，還清理掉了與之發生「共振」的軌道上的物質。例如，位於與土衛一呈2:1共振處的粒子，在這條軌道上的粒子每繞土星公轉一圈的時間正好等於土衛一公轉周期的2倍。它們會周期性地受到土衛一的拉扯。

雖然每一次的引力拉扯算不上什麼，但長時間之後，它們就會累積並把這些顆粒拽出它們的軌道，留下一條縫隙。土衛一的引力雕琢出了土星光環中最為顯著的、寬4 700千米的卡西尼環縫的內邊界。

在更遠的F環中，「卡西尼」發現，土星的衛星土衛十六正在光環物質中攪起波瀾。這是因為它會吸引位於其軌道之內的物質，但當物質到達土衛十六的位置時，它已經疾馳而過了。這會產生深遠的影響，原因是波會擠壓物質並使得它更像一個固態的物體。天文學家們所看見的是一個掠過的衛星正在觸發一個物體的形成，該物體的引力尚不足以使得它自發形成。如果同樣的過程發生在原行星盤中，像木星胚胎這樣生長中的天體就會觸發其他行星的形成，否則它們就不會存在了。

這並不是岩質盤可以影響行星形成的唯一途徑。令「卡西尼」項目科學家感到吃驚的是，螺旋槳結構的軌道在不斷地變化。多年來，科學家們跟蹤了較大的「螺旋槳」，發現它們有時候會往裡運動、有時候又會往外運動。

卡西尼土星探測器所拍攝到的土星光環中的螺旋槳形結構放大圖。（圖片來源：NASA/JPL/Space Science Institute）

早期的年代

也許一些埋藏在其中的衛星吸積了周圍的物質並且被向外推出。其他一些則可能在和光環物質的相互作用中損失了能量，落向了更靠近土星的地方。這同時也幫助解釋了位於其他行星系統中被稱為熱類木星的氣態巨行星的存在，它們在極為靠近其宿主恆星的軌道上公轉。由於恆星附近的氣體溫度過高無法被引力聚集起來，這些氣態巨行星被認為是在距離它們宿主恆星更遠得多的地方形成、然後向內遷移到目前的位置的。這可能就是天文學家們正在土星光環中所看到的。

土星光環和小衛星為完善我們對這些細緻物理過程的認識提供了一個十分乾淨的天然實驗室。不過，它們永遠也不會告訴我們故事的全部。雖然我們可以看到和行星形成早期階段的相似性，但我們無法看到後期。這是因為土星光環中的冰質碎片無法通過和原行星盤中形成行星相同的過程聚集成衛星。土星光環到土星的距離比水星到太陽的小了超過300倍，如此近的距離意味著土星的引力會撕碎任何孕育中的大型衛星。

在土星的光環中，破壞的力量總是會佔得上風。不過這不會阻止我們讚歎「卡西尼」所發回的漂亮圖像以及它們想告訴我們的一切。

（排版：小嵐歐歐）

本文來自果殼網，謝絕轉載

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