10小時33分38秒！土星環上的波可以精確測量土星自轉速度

美國宇航局卡西尼號飛船對土星獨特的光環進行了前所未有的詳細觀測，科學家們現在利用這些觀測來探測這顆巨大行星的內部，並首次獲得了它自轉速度的精確數據。根據計算，土星上一天的長度是10小時33分38秒。研究人員研究了土星環內部振動產生的波型。實際上通過對行星內部振動的響應，就像一個極其靈敏的地震儀。與地球的地震振動相似，土星對擾動的反應是在其內部結構決定的頻率上振動。內部熱驅動對流是最可能的振動源。這些內部振蕩導致行星內部任何特定位置的密度波動，從而使行星外部的重力場以相同頻率振蕩，環中的粒子在重力場中感受到這種振蕩。

博科園-科學科普：（上圖為卡西尼-惠更斯號於2006年9月15日臨近土星時拍出的土星環，是不是非常漂亮？）加州大學聖克魯茲分校天文學和天體物理學研究生克里斯托弗·曼科維奇解釋說：在這種振蕩與環形軌道共振的地方，能量會累積，並以波的形式被帶走。曼科維奇是1月17日發表在《天體物理學》上該研究論文的第一作者，這篇論文比較了土星光環的波動模式和土星內部結構模型。加州大學聖克魯茲分校天文學和天體物理學教授喬納森·福特尼是該研究報告的共同作者說：但是土星環上的一些特徵是由於行星本身振動造成的，可以利用這些特徵來了解行星的內部振動和內部結構。Mankovich開發了一套土星內部結構的模型，用它們來預測土星內部振動的頻譜，並將這些預測與卡西尼號在土星C環觀測到的波進行比較。

這張土星環照片是由美國宇航局卡西尼號飛船於2017年9月13日拍攝的，這也是卡西尼號傳回地球的最後幾張照片之一。圖片：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

分析的主要結果之一是對土星自轉速率的新計算，這一計算出人意料地難以測量。作為一顆氣態巨行星，土星沒有固體表面，在它旋轉的過程中也沒有可以追蹤的地標。土星也不同尋常的是，土星磁軸幾乎完美地與旋轉軸對齊。木星地軸和地球地軸一樣，也不與旋轉軸對齊，這意味著地軸會隨著行星的旋轉而擺動，這使得天文學家能夠測量無線電波中的周期信號，並計算出自轉速率。Mankovich分析得出的10小時33分38秒旋轉速度比之前基於旅行者號和卡西尼號宇宙飛船輻射測量的估計快了幾分鐘。卡西尼號項目的科學家琳達·斯皮爾克說：我們現在知道了土星一天的時長，當時我們認為無法找到它。

土星C環有著驚人豐富的結構和紋理，土星環外部大部分結構是土星衛星對土星環粒子引力擾動的結果，但是土星環中一些特徵是由於行星自身的振動造成。圖片：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

用光環窺探土星的內部，從裡面探出了這顆行星長久以來所追求的基本品質。這是一個非常可靠的結果。戒指上有答案。土星環可以用來研究這顆行星地震學的想法最早是在1982年提出，那時還遠未進行必要的觀測。馬克·馬利(Mark Marley)目前在美國宇航局位於矽谷的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)工作。他後來在1990年的博士論文中充實了自己的想法，展示了如何進行計算，並預測了土星環的特徵位置。他還指出，卡西尼號的任務，在計劃階段，將能夠進行必要的觀測來驗證這個想法，20年後，人們研究了卡西尼號的數據，在馬克預測的位置發現了環狀結構。

這張卡西尼號拍攝圖像以前所未有的細節顯示了土星B環的密度波，很可能是由一顆小衛星系統性地擾亂了土星B環粒子的軌道造成。圖片：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

（欣賞）在下面這張奇特的照片中，土星隱約出現在前景的左邊，由土星光環所投射的陰影所點綴。在右邊，土星環從卡西尼號的視角向外延伸，從行星朦朧的邊緣後露出。2017年5月28日當這幅圖像被收集的時候，卡西尼號剛剛第六次穿過土星和土星環之間的間隙，正在眺望地平線。該任務最終將於2017年9月15日進入火星大氣層。從這裡可以看到土星環未被照亮的一面，陽光從另一面透過。這顆行星的一部分在南半球。卡西尼號是美國國家航空航天局、歐洲航天局和義大利ASI航天局合作的一個項目，這幅圖像於2017年10月16日首次發布。

圖片：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

博科園-科學科普｜研究/來自: 加州大學聖克魯茲分校

參考期刊文獻:《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/aaf798

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