潛入土星環之中

原標題：潛入土星環之中

潛入土星環之中

【本文主要對2018年10月5日《科學》雜誌發表的多篇關於土星的研究論文加以簡單介紹。】

作者：艾宇熙

校對：徐鵬暉

編排：王 璞

太陽系中具有行星環的行星中，土星的行星環是最明顯、易觀測的。早在1610年伽利略用望遠鏡開始行星觀測的時候，他就注意到土星的行星體旁具有某種附屬結構；1655年，惠更斯用自製望遠鏡觀測土星，提出土星周圍的結構可能是一個薄而扁平的環；同年，他還發現了土衛六——泰坦。泰坦也是人類發現的第一顆土星衛星。1676年，卡西尼發現土星環具有環縫，他把外環稱為A環，內環稱為B環，而這條環縫在後來被命名為「卡西尼環縫」。卡西尼還發現過四顆土星衛星。

1997年，卡西尼－惠更斯號土星探測器發射升空，這個探測器的名字顯然是在向上述兩位17世紀的天文學家致敬。經過七年的飛行，它於2004年到達了土星附近。2004年底，卡西尼號和惠更斯號探測器分離，惠更斯號前往土衛六並於20天後在土衛六上著陸，卡西尼號則從此開始了它十幾年繞轉土星和飛掠土星衛星的旅程。

原本，卡西尼號的服役期限只到2008年。但到了2008年的時候，研究人員們發現探測器的狀態仍然很好，就一次次增加了它的探測任務和服役期限。十幾年來，卡西尼號在一次次飛掠任務中不斷向地球傳回全新的觀測信息。直到2017年，卡西尼號的燃料接近耗竭。土星本身是一顆氣體巨行星，但它的很多衛星都是岩質衛星，擁有含有有機物的環境，為了防止卡西尼號上可能攜帶的地球細菌污染土星衛星，研究者們決定讓燃料耗竭的卡西尼號沖向土星，並最終在土星大氣層中銷毀。

圖註：卡西尼號最後任務階段的高空飛掠軌道（最外圈藍線）和22次經過土星與其內環之間的軌道（內部藍線）

圖片來源：NASA/JPL

在卡西尼號最後的時光里，它先在飛掠外環外側的「土星環觀光軌道」上飛行，又在穿過土星環最內側和土星「表面」之間的軌道上飛行了22圈，執行探測任務——這些區域大都是在先前的繞行和飛掠中未曾探索過的。2017年9月15日，卡西尼號消失在土星大氣中。

卡西尼最後任務階段所傳回的數據和信息為我們帶來了嶄新的發現。一年多以後，2018年10月5日出版的《自然》雜誌為卡西尼的最後任務設置了專欄，同時刊登了6篇基於最後任務數據的論文：

1. 土星表面和內環間存在由高能質子組成的輻射帶

大多數擁有磁場的星體會俘獲許多高能帶電粒子，這些粒子組成的結構被稱為輻射帶。人們以前曾推測在土星表面和內環之間，也存在這樣的輻射帶。卡西尼任務的最後五個月里，人類首次實現了對這一區域帶電粒子的實地測量。

土星的輻射帶分布廣泛，最外的輻射帶達到土衛三軌道附近。在土星衛星軌道和土星環經過的區域，輻射帶通常會被切斷，這是由於衛星和土星環可以吸引質子。卡西尼號的探測數據顯示，在土星表面和土星最內環之間存在能量高達幾十億電子伏特的質子，這一能量值比靠外的輻射帶帶電粒子高得多。銀河系宇宙線與土星環相撞可以產生中子，中子發生β衰變產生質子。這些高能質子可能就是這樣起源的。

圖片來源：Roussos et al., Science 362, 47 (2018)

2. 來自低頻射電源的土星千米波輻射

早在2008年，卡西尼號就曾記錄到土星北極的極光輻射，同時探測到了兩個10千赫茲的輻射源。在卡西尼號的最後任務階段，它多次飛掠土星北極附近，探測土星千米波輻射，並在原位測定了射電源頻譜。

圖片來源：Lamy et al., Science 362, 48 (2018)

3. 土星D環上的塵埃顆粒會落入土星赤道上層大氣

D環是土星環的最內環。長期以來人們猜測，在土星磁場的作用下，D環上的帶電塵埃顆粒可能會向土星表面下落並進入土星大氣，形成塵埃雨。卡西尼號在任務的最後階段對這個猜測進行了驗證。在土星上空3000千米處，儀器每秒能檢測到30萬個直徑1-3納米的微型塵埃顆粒，在上空1700-2000千米處和土星大氣內，也同樣能檢測到帶正電點的納米級塵埃顆粒。據計算，塵埃顆粒自離開D環到降落到土星上層大氣中要經歷約4小時。每秒約有5千克的D環塵埃顆粒進入土星上層大氣。

圖片來源：Mitchell et al., Science 362, 50 (2018)

4.土星大氣與土星環之間的化學相互作用

圖片來源：Waite et al., Science 362, 51 (2018)

卡西尼號在最後任務階段探測了土星大氣和土星環的化學組成。在上層大氣中，探測器檢測到了氫氣（H2）、氦氣（He）和氘代氫（HD）。在土星環中，檢測到了多種含氮或硫的分子。研究團隊還計算了土星C環和D環之間物質的交換速率，以及物質的移動速度。

5.捕獲從土星環向土星大氣下落的塵埃顆粒

圖片來源：Hsu et al., Science 362, 49 (2018)

卡西尼號攜帶的宇宙塵埃分析儀在任務的最後階段收集到了土星內環與土星大氣之間的塵埃顆粒，並分析了它們的化學組成。這些顆粒中有些是硅酸鹽顆粒，有些是水冰顆粒。在距土星大氣不同的高度上，顆粒成分的分布也不同。整體上，硅酸鹽顆粒佔30%左右，而土星環中的顆粒有95%左右是水冰，這說明土星與內環之間的顆粒在構成上與整個環的性質不同。

6.再探土星磁場

卡西尼號任務的最終階段實地測量了土星環內區域的磁場。這些數據更加精細地刻畫了土星內部磁場的極端軸對稱特徵。土星的磁場赤道向北偏離了土星赤道。這些數據證實了土星南北極磁場的不對稱性，為測量土星磁軸方向提供了約束條件。該研究表明，土星磁軸與自轉軸的夾角小於0.01度。

圖片來源：Dougherty et al., Science 362, 46 (2018)

我們仍期待著更多來自這批數據的研究結果。

參考文獻：

[1]Baalke, Ron., Historical Background of Saturn"s Rings, Saturn Ring Plane Crossings of 1995–1996. Jet Propulsion Laboratory.

[2] Keith T. Smith, Diving within Saturn』s Rings, Science 362, 44-45 (2018)

[3] Roussos et al., A Radiation Belt of Energetic Protons Located Between Saturn and It Srings, Science 362, eaat1962 (2018)

[4] Lamy et al., The Low-frequency Source of Saturn』s Kilometric Radiation, Science 362, eaat2027 (2018)

[5] Mitchell et al., Dust Grains Fall from Saturn』s D-ring Into Its Equatorial Upper Atmosphere, Science 362, eaat2236 (2018)

[6] Waite et al., Chemical Interactions Between Saturn』s Atmosphere and Its Rings, Science 362, eaat2382 (2018)

[7] Hsu et al., In Situ Collection of Dust Grains Falling from Saturn』s Rings into Its Atmosphere, Science 362, eaat3185 (2018)

[8] Dougherty et al., Saturn』s Magnetic Field Revealed by the Cassini Grand Finale, Science 362, eaat5434 (2018)

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責任編輯：王克義

土星環唱片

credit: 煎蛋畫師PAX-12

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