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2018-12-26

一亿年后即将消失的土星光环?

归档于: 天文空间科学, 行星科学 @ 11:16 pm

自望远镜发明以来,太阳系中的第二大行星——土星就以其宽阔而又精细的光环而著称于世。土星光环主要由富含水冰、大小不等的颗粒组成,有着较高的反照率,因此看上去很是明亮。虽说木星、天王星和海王星也都拥有各自的光环系统,但要论壮观程度,它们是远远比不上土星的。

逆光下的土星及其壮观的光环系统。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

那么如果说最新的研究表明,土星的光环即将走向消亡,你会有何感想?惊愕?惋惜?不解?但是请不要对此表示怀疑。因为根据凯克望远镜的红外观测的结果,事实正是如此。实际上,早在30多年前旅行者号探测器掠过土星系统之时,研究者对光环的命运就已经有了类似的猜测,如今只能说是进一步确认了这个观点而已。而且说“很快”消亡,其实这是相对天体演化时标而言的——以当前的损失速率,土星光环在不到3亿年之后就会消散殆尽,与太阳系业已超过40亿年的历史相比当然不算太久,但在人的一生中是几乎无法查觉到有什么明显改变的。

凯克所见的现象本身是所谓的“光环雨”,也就是从光环落向土星大气的物质流;而光环的高速损失是从降雨得出的逻辑推论。那么何为光环雨?我们可以将组成土星光环系统的粒子看作是一大群体积超级小的卫星,其中小者不过如同尘埃一般细微,大者也只及宽度数米的砾石。在正常情况下,这些颗粒在固定的轨道上环绕土星运行,其所受的引力与轨道离心力之间存在着平衡,所以单纯从引力的角度来看,光环应该是稳定的。

但光环粒子的体积之小,就意味着主导它们行为的作用力不仅仅局限于引力,比如磁场就提供了另一种可能性——如果原本是中性的粒子因某种原因而获得了电荷,那么它们就会沿磁力线的方向运动,在条件合适的情况下,其所感知的磁场力有可能胜过引力。而偏偏让小冰粒带电的原因还有好几种,包括阳光中紫外线的辐照、流星体或宇宙线的轰击等等,在土星周围,这些过程虽然还不至于泛滥,但也称不得稀罕,所以总会有一部分光环物质是受磁场支配的。要知道土星偶极磁场的磁轴几乎与自转轴重合,而垂直于光环平面。这样一来,穿过光环的磁力线最终将在行星的高纬度地区与星球大气相交,带电的光环颗粒也会在此处落向土星。因为颗粒很大一部分成分就是水,这一现象被称为“光环雨”。

土星磁场的磁力线(蓝色曲线)与行星及其光环的几何关系。(图片提供:NASA/JPL/Space Science Institute/University of Leicester)

1986年,来自NASA戈达德太空飞行中心的Jack E. P. Connerney通过分析旅行者号探测器获取的图像以及电离层数据,第一次提出了光环雨存在的可能性——旅行者号在土星上发现了数道平行于赤道、成因不明的暗带;同时,土星电离层中的电子密度又在同光环相交的区域出现了锐减。Connerney认为,如果认为土星光环中的冰态颗粒正沿磁力线流动,而大气中的暗带实际上就是正在发生粒子下落的区域,那么上述两种现象都能得到合理的解释。此外,他还根据观测结果,初步估算了光环雨的强度。不过因为当时的线索有限,Connerney给出的光环损失速率还是存在很大的商榷空间的。

旅行者2号拍摄的土星北半球高对比度绿光影像,可见标有1、2和E的三条暗带。Connerney认为,位于北纬50度附近的两道平行细带(1和2)源于土星B环,而北纬70度附近较宽的E带标示了联结土卫二、土星E环以及行星表面的磁力线所在。(图片来源:Connerney 1986

近些年来,由当前同样供职于戈达德中心的James O’Donoghue领导的数项工作不仅证实了光环雨的存在,还进一步敲定了降雨水平。这些研究的基础是2011年4月使用凯克II号望远镜进行的红外分光观测。在为时2小时的曝光期间,凯克的光谱仪狭缝被置于土星圆面的中心,与行星赤道垂直,这样研究者就可以获知土星不同纬度的辐射分布情况了。

这批观测所选择的对象成分是由3个质子和2个电子组成的H3+离子,它是水冰落向土星大气并与电离层发生化学反应后造就的物质之一,可以经由一个H2+离子和一个氢分子通过质子跳跃过程形成。同时H3+也是土星电离层中最常见的成分,在很大程度上又说明了水分本身的分布。在红外波段,H3+的转动-振动跃迁可以发出大量的谱线,而其中的两种特定的光谱特征就是O’Donoghue等人所要寻找的目标。

土星上H3+两种谱线的辐射强度(左),与观测时光谱仪狭缝在土星圆面上的位置。(图片来源:O’Donoghue et al. 2013

从上图可见,在土星圆面的中心线上,H3+辐射在靠近两极的区域达到最高峰,而且之间峰谷相间,但分布情况相对赤道并非完全对称。考虑同为气体巨行星的木星虽然也是风暴肆虐,但是并无类似现象出现(相反,木星的H3+辐射随纬度的分布较为均匀);土星H3+辐射的峰值倒都与穿过环缝的磁力线同星球交点相对应,又在磁场较强的南半球更为显著,这些红外特征谱也理应是源于光环同磁场相互作用的产物。只是H3+谱线的暗区倒是同光环明亮的主体部分相关,颇让人感到意外。如果能够在不远的将来进一步考察光环的损失同土星季节变迁之间的关联,相信我们对光环雨的认识会进一步加深,而这也是O’Donoghue等人打算开展的工作。

O’Donoghue的团队最新的成果则是藉由H3+辐射的水平,结合模型假设,得到了更加可靠的光环雨降水量数值——每秒有432到2870千克的光环物质落向土星。取中值的话,这相当于光环每20分钟的水分损失率就足以灌满一个标准泳池。照此下去,土星光环的预期寿命只剩下2.9亿年左右了,甚至哪怕将损失率取为可能范围的最小值,把整个光环系统耗干也只消10亿年的光景。

土星光环在未来数百万年间的演化过程示意。(图片提供:NASA/Cassini/James O’Donoghue)

因为靠近土星的区域磁场强度较高的缘故,内区的光环物质消耗较外侧更快,所以首先消失的应该是最为靠近土星的D环——实际上现代的D环已经非常暗淡了,这也是它的发现晚于外围环系的原因之一。随后损失过程从C、B、A环依次向外推进,最终只能剩下很少的外层光环颗粒。因此有人认为,当前所见的其他类木行星光环或许就是经过类似过程,大体折损之后的残余结果。

而除了由O’Donoghue等人发扬光大的磁力线光环雨之外,卡西尼号探测器在2017年执行华彩终章任务期间还第一次注意到了径直落往土星赤道区域的D环组分。与主要成分只是水冰的带电颗粒相比,赤道下落物的构成更加复杂,有相当大的比例属于有机物、甲烷、一氧化碳等,水分只占不到1/4(一个参考数据是,水冰占据了所有光环物质的95%以上)。这样的赤道下落物在很大程度上是以纳米级颗粒的形式存在的,估测的最高下落率甚至高于从光环汇入高纬度区域的水冰。将这个因素也考虑在内的话,土星光环怕是撑不过未来的1亿年了。

卡西尼号在任务的最后时期发现的新现象,径直落向土星赤道的下落物以粉色表示。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

对于很久之后的观星者来说,损失中的土星光环恐怕算不上什么好消息。但是这一点却为光环系统的形成和演化带来了关键证据:鉴于光环的寿命之短,它应该不会是同行星一起形成的。相反,光环更可能源于后来发生的事件,如小天体同卫星的碰撞之类。我们可能恰好处在了合适的时间,得以目睹土星光环在巅峰状态的模样,但同时也错过了木星、天王星和海王星的全盛期光环,可谓鱼和熊掌不可兼得也。

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