土星：什麼？我的主角光環即將到期？_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陸寅楓

校譯：陳豔玲 田程偲 汪榮鑫  

編排：胡暖暖

原文鏈接：

https://solarsystem.nasa.gov/news/794/nasa-research-reveals-saturn-is-losing-its-rings-at-worst-case-scenario-rate/

主要由水冰構成的土星環正在消失。這是因為土星環中的帶電的冰質顆粒，在土星引力和磁場的作用下墜入土星。

通過比對數十年前旅行者1號和2號拍攝的照片，最新的NASA研究證實了土星環正在以最快速率消失。在土星引力和磁場的作用下，土星環中的冰質顆粒正在如同下雨一般墜入土星。

該視頻簡單説明了導致土星環消失的機制，和我們能從中獲取的有關土星曆史的信息。Credit: NASA’s Goddard Space Flight Centre/David Ladd

“據我們估計，在半小時內墜入土星的冰質顆粒所含的水分可以灌滿一個奧運會標準的游泳池”，NASA戈達德太空飛行中心的詹姆斯·奧多諾休(James

O’Donoghue)説，“光憑這一點推算，土星環還剩下三億年的時間。但是考慮進卡西尼探測器此前測量的墜入土星赤道的土星環物質的數據，我們認為一億年之內土星環就會消失。與土星超過四十億年的年齡相比，這是非常短暫的。”

這張土星照片由卡西尼探測器於2016年4月25日拍攝。拍攝時距土星約三百萬千米，俯角約三十度。Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

天文學家一直不能確定土星環到底是與土星一起形成的，還是後來才被土星捕獲的。這次研究的結果更偏向於後者：假設C環的密度一開始和B環相同的話，則變成今天這樣的稀疏程度很可能不需要一億年。“我們能看到土星的行星環系統其實是挺幸運的，因為它們似乎還只剩一半的壽命。不過，如果行星環都如此短暫的話，或許木星，天王星，或海王星過去都有龐大的行星環系統，只是我們已經錯過了看到它們的時機”，奧多諾休説。

有關行星環的起源存在着許多不同的理論。如果土星是在形成之後才獲得它們的，那它們起初可能是環繞土星運行的小型冰質衞星，軌道受到途經小行星或彗星的引力影響而改變，碰撞後變成了行星環。

土星環在接下來一億年內變化過程的藝術想象圖。最內側的環最先消失，外側的環也開始緩慢跟上。Credit: NASA/Cassini/James O’Donoghue

最初旅行者探測器捕捉到了有關土星環正在墜入土星的跡象。當時這些看來只是毫無關聯的幾個現象：土星電離層中的奇怪變化，土星環中的密度變化，和土星北半球中緯度環繞整個行星的幾條窄暗帶。在旅行者2號於1981年拍攝的土星平流層照片中這些暗帶就首度現身了。

1986年，戈達德太空飛行中心的傑克·康納尼 (Jack Connerney) 在地球物理學研究快報中發表了一篇文章，他將這些窄暗帶與土星龐大的磁場形狀聯繫起來，提出了這樣一個假説：來自土星環的帶電冰質顆粒沿着無形的磁場線飛向土星，冰進入土星上層大氣層後融化成水，“傾倒”在土星特定緯度的上層大氣層中，這些水沖走了平流層中的濃霧，使其反射的光減少，從而在旅行者拍到的照片中呈現出窄暗帶。

土星環絕大部分都是由水冰組成，這些冰有的小如沙礫，有的大如石塊（直徑可達數米）。它們在土星的引力和環繞土星旋轉的慣性間保持着平衡。這些冰質顆粒有兩種途徑可以帶上電：太陽紫外線的輻射，或是微型隕石轟擊行星環時發出的等離子云。當帶上電後，這些顆粒便能感受到土星磁場對它們的吸引，之前的受力平衡受到擾動，它們便會在引力作用下沿着磁場線墜向土星上層大氣層。在那兒，冰質顆粒融化成水並且與土星的電離層發生化學反應，結果之一便是延長了三氫陽離子的壽命(H3+，三個質子共用兩個電子，極不穩定，很容易變成氫氣H2)當接收到太陽光的能量後，三氫陽離子會發出紅外光，而這正好被奧多諾休的小組使用位於夏威夷的凱克望遠鏡看到了。

他們觀察到土星南北半球特定的緯度上有正在輻射紅外光的窄帶，而這些緯度正是穿過行星環的磁場線進入土星的緯度。他們通過分析探測到的紅外光譜以確定由土星環墜入土星的水冰總量以及它們對土星電離層的影響。他們發現測量出的水冰總量與三十多年前康納尼團隊計算出的水冰總量的理論值驚人地吻合。墜入土星的水冰總量非常大，並且在南半球的某處達到最大值。

奧多諾休團隊還在土星南半球更高的緯度上發現了另一條發出紅外光的窄帶，穿過土衞二軌道的磁場線就是在這一緯度進入土星的。土衞二上有着活躍的地質活動，還會時不時地向太空中噴射水冰。“這並非如此出乎意料”，康納尼説，“根據旅行者拍攝的由它們形成的另一條窄暗帶，我們判定土衞二與土星的E環都是豐富的水源。”土衞二上的這些噴泉最早由卡西尼探測器於2005年發現，科學家認為它們來自衞星冰質表面下的液態海洋。活躍的地質活動和液態海洋讓土衞二成為太陽系內尋找地外生命最有希望的地方之一。

這張照片由卡西尼探測器於2009年11月1日拍攝。照片中土衞二正在土星環前運動，背景中的另一個天體是土衞十七，它正被土星反射的光照亮。在太陽的背光下可以清晰看到土衞二南極地區噴發出的水冰。Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

團隊很希望能研究這場下在土星上的雨是如何隨着季節而改變的。在土星29.4地球年的公轉週期中，行星環會以不同的角度朝着太陽。不同的照射角度應該會改變這場雨的大小，因為正是太陽的紫外光輻射使冰質顆粒帶電。

『天文時刻』 牧夫出品

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帶標記的土星光環大圖

Credit: https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA11142