「卡西尼」號完成土星和土星環間首次穿越，神秘之地漸露真容

對於大部分普通公眾來說，除了地球和火星，太陽系中最熟悉的大行星恐怕就非土星莫屬了。這主要是因為它擁有一個美麗的光環系統，就像戴了一頂好看的大草帽。2004年以來，「卡西尼」號探測器一直在圍繞土星的軌道上運行，對其本體、衛星以及光環系統進行迄今為止最為細緻的考察。這些探測有助於科學家們解答一系列長久以來有關這顆行星懸而未決的謎團。

圖片來自網路

本報記者 李艷

最近，沉默了很久的土星又來刷了一次我們的屏。近日，離開地球快20年的美國「卡西尼」號土星探測器成功在土星和土星環之間完成首次穿越，並傳回迄今最近的土星觀測數據。這些數據顯示，土星與土星環之間的區域是片「空無」。消息傳來，一方面人們為「卡西尼」在這一地帶的首次成功穿越歡欣鼓舞，另一方面這讓本來就充滿「神秘范兒」的土星更添新的疑團。

今年9月，「卡西尼」號探測器將結束使命，進行它的「自殺任務」——俯衝入土星內環，並將關鍵數據傳回地球，隨後在土星大氣層分崩離析。這件事更讓航天愛好者們興奮又期待，「感覺離土星的秘密又要近一步了」。

土星與土星環之間區域是真空地帶？

「空無」原是高層大氣和低密度的塵埃

5月1日，美國航空航天局噴氣推進實驗室「卡西尼」項目主管厄爾·馬伊斯在一份聲明中說，數據分析顯示，土星與土星環之間是一片「空無」。這「空無」到底是什麼東西呢？

這個「空無」的區域並不是有些人理解的「完全的真空地帶」，而是存在一些低密度的塵埃狀的東西。國家天文台研究員平勁松在接受科技日報記者採訪時解釋說，土星與土星環之間存在著稀薄的等離子體大氣，與行星際空間環境融合在一起。它們密度很低，且不容易反射光線。「卡西尼」號探測器在穿越這些空隙時，還檢測所碰到的微粒大小和環的厚度，以及估測光環的組成、溫度、密度和結構。土星與土星環之間寬約2000公里的區域中是否含有塵埃一直是科學家們關注的話題，因為這不僅決定了「卡西尼」號探測器在未來的穿越中是否需要將碟狀主天線作為「盾牌」，還將影響探測器怎樣以及何時觀測土星。現在看來，塵埃確實存在，但塵埃水平比預期低很多。

土星的草帽光環是怎麼來的？

各種天體殘骸碰撞分離堆積形成環狀結構

提到土星就不得不提到知名度極高的土星環。這一圈環繞土星的光環讓土星在望遠鏡中看起來猶如一頂草帽，「帽沿」正是土星光環，又稱土星環。光環的存在使土星成為太陽系中較為奇特的一顆行星，也讓土星成為群星中最美麗的一顆。

土星環是什麼？怎麼來的？一直是大家關注的話題。

平勁松告訴記者，土星環的主要物質是冰晶和塵埃。在太陽系和土星形成的早期，天體之間會頻繁發生碰撞，碰撞產生了很多殘骸物質，這些殘骸物質再經過不斷地碰撞和分離，最終堆積在一起形成環狀結構。這些撞碎後的塵埃和冰晶在軌道帶上成片分布，它們反射星光、太陽光以及其他天體輻射的光最終形成了土星的神秘光環。

值得一提的是，土星環從遠處看是一個柔和的、整體的光環，但是根據探測器近距離拍回的照片顯示，這個環並非整體，而是由許多小環組成。

更有趣的是，相比較土星的年齡而言，土星的環結構還是非常年輕的。土星誕生至今大約有40多億年，而土星的環只有數億年的歷史。據「卡西尼」號探測器成像科學團隊和圖像控制中心實驗室主任卡羅琳說，土星的環系統是在何時形成的，以及持續了多長時間，這期間環結構是否是連續存在的，是否有出現過斷檔期，這些問題還處於探索之中。

地極六邊形漩渦如何形成的？

成因至今不明或許是溫差造成的

很早以前，天文學家就發現在土星北極有一個極地漩渦，它看上去呈一個完整的六邊形，這在整個太陽系都是獨一無二的，引起了大家濃厚的興趣。

這個六邊形旋渦形狀巨大，寬度可以容納4個地球的大小。最近幾年，天文學家通過觀察「卡西尼」號探測器發回的數據及圖像，發現六邊形旋渦看起來很像地球上的颶風，不過範圍明顯要大得多，大概是地球颶風的20—40倍。

平勁松告訴科技日報記者，六邊形旋渦自西向東高速旋轉，十分漂亮。其實在土星南極上空也同樣存在著一個大規模的漩渦系統，只是規模較小。

不過對於這個六邊形漩渦的成因，科學家們至今也沒有搞清楚。土星的北極被認為可能是土星上最「溫暖」的地方，溫度高達零下122℃，而土星其他地方的溫度則是零下185℃。科學家猜測，這樣的溫差或許正是極地漩渦的成因。

土星巨型風暴每30年肆虐一次？

由於探測間斷是否30年一循環尚未可知

土星上肆虐的巨型風暴也是土星的一大謎團。

在2010年底和2011年上半年這一時間段，「卡西尼」號探測器第一次近距離觀測到土星大風暴。這場席捲土星長達6個月的特大風暴成為土星觀測史上持續時間最長的天氣，在高峰時期，約有20億平方公里的雲層。

科學家們認為，相比較其他氣態行星，土星風暴在體積上是非常巨大的。由於上一次人類觀測到土星大風暴已經是30年前了，所以坊間一直有一個神秘傳聞——土星大風暴大約在每30年左右出現一次周期循環，並且這暗示著大風暴與土星的季節存在著某種聯繫。

但是平勁松認為這一說法仍缺乏確鑿的科學依據，「現在確切的說法是30年前，我們觀測到了類似的大風暴，但由於人類對土星的探測中間有很長時間是間斷的，所以這個大風暴是不是一定是30年一個周期，目前還不能確定。」

這一巨型風暴的起源和動力源目前科學家還沒有找到，風暴強大的能量從何處而來還有待進一步的探索。

土星系統會不會有宜居環境？

科學家表示未來探索將聚焦生命

歷史上，人類關於土星的探測並不是太多，而最近10多年來，「卡西尼」號探測器的存在成為了關注土星的科學家們最興奮的事——一系列關於土星的最新發現都從它而來。

平勁松說，「卡西尼」在土星系統飛了10多年，最近半年，探測器降低了軌道，穿越土星環，穿越得很有技巧，美麗而悲壯，才有了這次的新發現。今年9月，「卡西尼」將結束任務，屆時大家對土星的關注可能會達到新的高潮。他介紹，中國的科學家最近幾年也一直在跟蹤「卡西尼」號探測器的探測數據。「關於土星的事，人們知道得不少，只是關於大氣和空氣的一些狀況，還在進一步探索研究當中。」平勁松說。

從現在的研究結果看來，土星上有冰、有水，會不會有生命家園呢？這是科學家們未來研究的關鍵方向。下一步，以美國為主的國家和機構將主要針對土星的衛星上是否存在適宜居住的環境，是否存在高級有機分子或是微生物等方向進行探測和研究。平勁松說，他和同行們還特別關注一點，那就是有沒有可能把地球上一些能在極端環境下生存的微生物移居到土星上，這個研究結果實在讓人期待。

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土星的一天到底有多長？10個半小時

如何衡量土星的一天，或者說如何確定氣態行星上的一天到底有多長，是一個棘手的問題，這不像岩質行星上有著明顯的標誌性的地形進行區分確定，如果通過氣態行星上的雲層標誌確定自轉周期也存在著代表不充分的問題。

對此，科學家採用了一種方法，通過測量行星上自然發射的電波信號進行確定，這種技術已經應用於測量木星的自轉周期。在2004年，「卡西尼」號探測器通過這個方法測量了土星上的一天，大約比現有的數據多了6分鐘。

然而，後續研究表明，這種方法對土星來說還存在問題，土星電波信號由其磁場產生，而土星磁場與自轉存在不同步的問題，所以通過測量不同步的磁場信號判斷土星的自轉是存在問題的。

因此，科學家對此不得不進行數據平均，也就是通過平均「先鋒」號探測器、「旅行者」號探測器以及「卡西尼」號探測器所測量的結果，從而得出「最佳」數據——土星的一天大約是地球上的10小時32分35秒。

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