太陽系中的皇冠，一億年後或將不復存在_風聞

撰文 | 曹浩 （哈佛大學）

編輯 | 韓越揚

土星系統是太陽系中一個多姿多彩的行星系統（圖1）：土星上巨型風暴與極光交相輝映；六十多顆大大小小的冰衞星各不相同：表面有甲烷海洋的土衞六（Titan），南極有羽流（plume）的土衞二（Enceladus）。而土星環（封面圖，圖1）可以説是土星系統的標誌，常常被稱為太陽系中的皇冠。

土星環不僅瑰麗，而且是一個活力十足的系統。基於卡西尼飛船的實地探測，結合地基和天基望遠鏡的觀測，我們對土星環的認知在過去15年時間裏有了長足的進步。我們看到新的冰衞星在土星環中形成，螺旋密度波（spiral density wave）和彎曲波（bending wave）不斷被激發而又消散，土星環中的冰塊在不斷的流失。我們也提出了很多新的問題：土星環是不是和土星的年齡一樣長？土星環是99%的水冰（H2O）嗎？

圖1. 土星系統（圖源：photojournal.jpl.nasa.gov）

伽利略的困惑

第一個看到土星環的人是伽利略。然而，受其望遠鏡分辨率的限制，伽利略對所看到的景象自始至終都很困惑（圖2，I），並沒有意識到自己所看到的是土星和土星環。

1610年，當伽利略將自己的望遠鏡對準土星時，他看到土星似乎有兩顆伴星（圖2，I）。然而，兩年以後，當伽利略再次觀察土星時，由於當時土星環平面與黃道面幾乎平行，從地球上看過去就好像土星環完全消失了一樣，因而伽利略之前看到的“兩顆伴星”也無處可尋。這給伽利略帶來了極大的困惑。他在給托斯卡納公爵（Grand Duke of Tuscany）的信中寫道：“怎樣才能理解如此奇怪的變形？”

圖2. 對土星與土星環的早期觀測與猜測，來自伽利略。（圖源：Linda Hall Library of Science, Engineering & Technology）

在接下來的四十多年的時間裏，土星與土星環在早期天文望遠鏡的注視下不斷地變化形態（圖2），讓當時的天文學家十分不解。直到1656年，惠更斯（Christiaan Huygens）提出大家看到的景象是因為土星的周圍存在着一個扁平的薄環，並與地球觀察者不斷地變化着角度。

1676年，卡西尼（Jean Dominique Cassini）發現土星環並不是一個整體，中間有空隙（現在被稱為卡西尼環縫，the Cassini Division）。

土星環究竟是不是固體的爭論持續到了19世紀。1857年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）通過穩定性分析證明了土星環不是一個剛體結構，而是由非常多的小顆粒組成。1885年，James E. Keeler通過光譜觀測顯示土星環的速度遵守開普勒定律，由內向外的角速度越來越慢，首次從觀測上證實了麥克斯韋關於土星環不是剛體的論斷。（James E. Keeler也是The Astrophysical Journal的兩位創始人之一，另一位是George E. Hale。）

太空時代的土星環

進入太空時代，人類的探測器離開地球飛向太陽系中的其它行星。其中先驅者11號（Pioneer 11）於1979年9月1日近距離飛掠土星，發現了稀薄的F環和G環。旅行者（Voyager）1號和2號分別於1980年11月12日和1981年8月25日近距離飛掠土星，在土星環中發現了豐富的動態景象：螺旋密度波，彎曲波，尾流，諸多與土星環共存的小衞星。

1997年10月15日，卡西尼飛船（Cassini Spacecraft）與惠更斯着陸器（Huygens Probe）搭乘泰坦4號運載火箭離開地球，經歷兩次金星飛掠，一次地球飛掠，一次木星飛掠，7年之後終抵達土星，開始了對土星系統的細緻檢視。

其中，惠更斯號着陸器於2005年1月14日成功軟着陸土衞六（Titan），成為首個在外太陽系天體表面着陸的探測器。卡西尼號飛船搭載了完備的科學儀器，包括可見光成像系統，紅外光譜儀，紫外成像光譜儀，離子和中性粒子質譜儀，雷達，宇宙塵埃分析儀，和磁強計等（圖3）。

2017年9月15日，在離開地球之後的20年，在土星系統中探索13年之後，卡西尼飛船按計劃制動墜入土星大氣（圖3）。在土星系統的13年裏，卡西尼飛船做出了一系列新發現：土衞二（Enceladus）的南極羽流和內部海洋，土衞六（Titan）表面的甲烷海洋，幾乎完全軸對稱的土星磁場，南北不同且隨季節變化的土星電磁週期等都是卡西尼飛船的發現。

在燃料將要耗盡之時，卡西尼飛船在土星系統的最後一年開啓了全新的軌道（圖3）：土星環擦過軌道（Ring-Grazing Orbit）和最終章軌道（Grand Finale Orbits），近距離觀測土星環和土星。在最終章軌道階段，卡西尼飛船穿越了土星大氣層和土星環之間的縫隙，成為首個穿越此縫隙的人造飛行器。土星環擦過軌道和最終章軌道給了我們全新的機會檢視土星環，土星和土星環之間的相互作用，土星環附近的電磁環境，土星引力和內稟磁場。

圖3. 卡西尼飛船與其最後一年的軌道（圖源：NASA/JPL-Caltech）

土星環裏的協奏曲

土星環裏有着豐富的物理過程。這些物理過程在螺旋星系（spiral galaxy），吸積盤（accretion disk）和原行星盤（proto-planetary disk）中也在發生。因此，土星環也是太陽系中關於這些天體的一個實驗室。

 圖4. 土星環中的密度波（卡西尼飛船拍攝）（圖源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

圖5. 土星衞星Daphnis與其在土星環中激發的波結構（卡西尼飛船拍攝，2019年6月14日Science雜誌封面）（圖源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）

旅行者1號，2號，和卡西尼號在土星環中發現了諸多的波結構（圖4 - 5）。其中很多的是螺旋密度波（圖4）。螺旋密度波首先由林德布拉德（Bertil Lindblad）提出，林家翹先生和徐遐生先生在1964年將其發展為密度波理論來解釋螺旋星系旋臂形成的原因。

Peter Goldreich和Scott Tremaine在1978年到1982年（也是先驅者11號，旅行者1號，2號飛掠土星的時間），將林德布拉德共振和共轉共振（corotation resonance）理論運用到土星環（和天王星環），提出了卡西尼環縫是源於土星環與土星的衞星Mimas的共振作用，並計算了土星環中密度波的物理特性（如波長隨距離的變化，震動幅度，耗散位置）如何由土星環的特性（如表面密度）和土星系統中衞星的質量來決定。

旅行者號和卡西尼號還直接觀察到了通過引力產生土星環縫的小衞星，諸如產生恩克環縫（Encke Gap）的小衞星Pan和產生基勒環縫（Keeler Gap）的小衞星Daphnis（圖5），洛希極限以外的纖細F環如何由其軌道內外的兩顆小衞星（Pandora & Prometheus）引領，以及可能是正在土星環中在形成的小衞星Peggy。

賽先生小黑板

洛希極限是中心天體的潮汐力與第二個天體的自身引力相等時兩個天體之間的距離，當這兩個天體的距離小於洛希極限，較小的天體就會傾向於被潮汐力撕裂

土星環中大部分的密度波和彎曲波是由土星系統中的衞星激發（圖5）。然而，在2013年左右， Matt Hedman和Phil Nicholson通過分析卡西尼飛船的數據在土星環中發現了不是由衞星激發的密度波。

這些密度波的特徵與Mark Marley在1991年和1993年通過理論計算預測的土星內部震動在土星環中通過林德布拉德共振和豎直共振（vertical resonance）激發的密度波特徵高度吻合。因此，土星環還是一個自然賜予的星震儀，可以用來探測土星內部的結構與動力學。

通過細緻的理論分析這些星震激發的密度波，加州理工學院的Jim Fuller在2014年提出土星深部有密度穩定分層（stable stratification），加州大學聖克魯斯分校的Chris Mankovichi在2019年推算了土星內部的自轉速度。由於土星的磁軸幾乎與土星的自轉軸完全重合（磁偏角小於0.007度），土星內部自轉速度無法通過追蹤磁場來測量。太陽系中的其它巨行星的磁軸與其自轉軸都有大於10度的偏角，它們的內部自傳速度都是通過追蹤磁場來測量。

圖6. 土星系統中的高能粒子輻射帶（圖源：Roussos 2018, Science 362, Issue 6410, eaat1962）

土星系統中除了引力的協奏曲，還上演着豐富的電磁現象：極光，千米波，高能粒子，南北不同且隨季節變化的電磁週期等。土星環在土星系統的電磁反應中也扮演了重要的角色。與地球系統類似，土星系統中的高能粒子被土星磁場約束形成輻射帶。卡西尼飛船發現土星環和土星系統中的諸多冰衞星扮演了高能粒子吸塵器的角色（圖6）。在穿過主要土星環（A，B，C環）和冰衞星的磁力線上幾乎沒有高能粒子（圖6，圖8）。稀薄的D環並沒有清理高能粒子的能力（圖6，圖8），因而土星高層大氣和C環之間的縫隙還存在着一個內輻射帶。

給土星環測體重，猜年齡

圖7. 通過測量卡西尼飛船軌跡的微小擾動來計算土星環的質量（圖源：Iess et al. 2019 Science 364, 6445, eaat2965）

土星環到底有多重？雖然我們可以通過土星環中的密度波來推算土星環的表面密度和質量，但是，密度波只在土星環中較透明的部分被觀測到，因此無法通過這種方法來推算最不透明的B環部分的質量。而土星環的質量也很有可能集中在最不透明的B環。

卡西尼最終章軌道將飛船首次送入土星環與土星之間的縫隙，這使得我們不僅可以測量土星環的引力場，而且可以將其與土星自身的巨大引力場分開（圖7）。通過分析卡西尼飛船在最終章軌道上10 毫米每秒左右的微小速度變化（飛船的平均軌道速度在30 公里每秒左右），卡西尼重力場團隊推算出了土星環的總質量大概是土衞一 （Mimas，半徑198公里）質量的40%左右。因此，土星環的總質量和土星的一顆衞星相當。這是相當有趣的，因為土星環的形成理論之一便是由土星的潮汐力撕裂一顆遷移到土星洛希極限以內的冰衞星。

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圖8. 土星環的流失，也被稱為土星環雨（Ring Rain）。土星環物質的流失有兩個渠道：帶電粒子沿着磁力線方向飛往土星，中性粒子在環平面方向飛往土星。（圖源：NASA/JPL-Caltech）

然而，土星環的質量是恆定不變的嗎？土星環會一直存在下去嗎？卡西尼飛船搭載的宇宙塵埃分析儀（Cosmic Dust Analyzer），離子和中性粒子質譜儀（Ion Neutral Mass Spectrometer），和磁層成像儀（Magnetospheric Imaging Instrument）發現，土星環中的物質在不斷地向着土星流失（圖8），這個過程也被稱為土星環雨（Ring Rain）。

土星環的物質流失存在兩個渠道：帶電粒子沿着磁力線方向飛往土星，中性粒子在環平面方向飛往土星。兩個渠道的總物質流失速率可高達10噸每秒。結合引力場測量的土星環的質量，照此流失速率，一億年以後，土星環將不復存在。

那麼，土星環是不是和土星一樣存在了45.6億年？這個問題的答案要複雜一些，不能簡單地由現有質量和物質流失速率來推算，因為我們並不知道土星環的初始質量。土星環的光學特徵似乎指向土星環的存在時間在一億年左右。

卡西尼飛船的宇宙塵埃分析儀測量了行星際空間的塵埃在土星環附近的沉降速率。如果土星環的年齡在45億年左右，由於行星際塵埃的污染，土星環的亮度會比現在所看到的要暗的多。然而，土衞二（Enceladus）的南極羽流在不斷地往土星系統中輸送新的冰粒子，這些冰粒子的一部分會沉降在土星環的表面，從而不斷刷新土星環的表面使其顯得年輕。因此，從光學特徵推斷的土星環的年齡可能並不可靠。土星環的年齡依舊是一個未解的謎。

除了土星環的年齡，土星系統中的中等大小的衞星的年齡也是一個謎。

卡西尼最終章對土星環粒子成分的測量給我們提出了一個新的謎團。之前的光譜測量顯示土星環的成分是99%的水冰（H2O ice），卡西尼飛船搭載的宇宙塵埃分析儀捕捉到的由土星環飛向土星的塵埃有10% - 30%質量比的硅，而離子和中性粒子質譜儀捕捉到的土星環粒子更是顯示了16%的甲烷（CH4），20%的一氧化碳／氮氣（CO／N2），和多達37%的有機物。

為何光譜測量的土星環的成分與實地捕捉到的土星環粒子有如此大的差別？

是因為土星環粒子僅僅表層是水冰而內裏有更復雜的成分？還是因為從土星環飛往土星的粒子是經過某種篩選過程因而並不代表土星環的主要成分？這個謎團要留給將來的行星探索計劃了。

曾讓伽利略困惑不已的土星環在太空時代逐漸揭開了神秘的面紗。在看似冰冷平靜的外表之下，土星環中上演着豐富多彩的物理過程。對土星環和土星系統的探索，也在幫助我們更好的理解太陽系以及系外行星系統是如何形成的。而探索起源問題正是推動科學進步的源動力之一。

作者簡介

曹浩，哈佛大學地球與行星科學系研究員，歐洲航天局（ESA）木星冰衞星計劃（JUICE）磁強計項目成員（Co-Investigator），美國航天局（NASA）木星朱諾（Juno）計劃和土星卡西尼（Cassini）計劃成員。2009年本科畢業於中科大。2014年於加州大學洛杉磯分校（UCLA）獲得博士學位。研究領域是行星科學，集中在行星磁場起源，行星內部動力學，行星引力場，行星與行星環的相互作用等課題。

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