卡西尼号揭示土星奇怪的雨和其它惊喜

在遥远地球人眼中，土星与其光环之间的间隙看起来很平静，就像一个美丽复杂的结构与另一个之间的真空呼吸。但是在NASA最受欢迎的行星科学任务之一后诞生的11篇新论文中，科学家们摧毁了这一幻想，在这一空洞中展示了一系列出乎意料的复杂现象。这些论文发表在重要的科学期刊上，代表了首次发表的研究，其中包含了卡西尼号任务所谓的“大结局”的数据。“大结局”是一组大胆的轨道，飞船在土星和土星环之间穿过。综合起来，这些论文描绘了一幅详细的图景，描述了行星最内环和上层大气之间发生了什么——令人惊讶、引人注目的现象，像一阵猛烈的化合物冰雹砸向行星赤道区域，以及仅仅由行星的风和磁场产生的电流。

2017年卡西尼“大结局”自坠毁土星大气层的任务概念图。图片：NASA/JPL-Caltech

博科园-科学科普：美国宇航局卡西尼任务的项目科学家Linda Spilker说：我们确实认为这是一个缺口，研究小组对“卡西尼号”在自坠毁后能够学到的东西持乐观态度，但这次行动最终产生了她所谓的“比我们想像更丰富的科学回报”——甚至把它比作一次全新的任务卡西尼号飞船花了13年的时间研究土星及其卫星。但当燃料耗尽时，执行任务的科学家们设计了一个大胆的轨道，让宇宙飞船绕土星环飞行，然后在大气层中燃烧。这一举措确保了该系统中可能适宜居住的卫星不会捕捉到任何可能搭乘宇宙飞船的地球细菌。但它也让科学家们从它的仪器中挤出了一些额外的数据——并将航天器推进了超出想像可能的距离，因为“卡西尼”号和它的仪器都不是为了完成如此难以置信的壮举而设计。

2017年卡西尼“大结局”自坠毁土星大气层时的景象概念图。图片：NASA/JPL-Caltech

科学家们聚集在一起准备第一次“潜水”，想知道这艘宇宙飞船是否能存活到最后一刻。斯比克和其他土星科学家说：即使在2018年10月4日发表论文之后，从数据中筛选出来的宇宙飞船发现也远未完成。基本上可以看到卡西尼号过去13年收集到的大量数据，实际上只是在数据集的顶部略去了一些精华。这项工作帮助科学家开始了解土星上发生的个别现象。即使是现在，下一步也要做的是把这些数据片段放在一起，形成一幅连贯的画面，看看所有的数据集，看看是否有一个共同的故事。但与此同时，让我们来看看科学家们已经对这个环状行星有了哪些了解。

下雨了，下着倾盆大雨

一项新发现是由仪器结果引起的，这些结果非常奇怪，以至于研究小组的科学家们一开始以为肯定是弄错了。这种仪器被称为离子和中性质谱计(INMS)，能够嗅出它捕获的物质化学成分。科学家们看到这些结果特别兴奋，因为有消息说，这个仪器有什么问题。“自从任务结束以来，关于INMS的结果有很多讨论，乍一看，这是一种你几乎不相信的事情，作为一名科学家，必须做一点直觉检查。“卡西尼”号探测器在早期探测土卫六和土卫二等卫星时，收集了关键数据。西南研究所INMS项目的负责人Rebecca Perryman说：然后真正开始关注土星，让它成为任务的最后一部分，做了很多工作来完成最初的所有计划，并吹嘘一旦进入大气层，INMS将能够得到一些奇妙的结果。

卡西尼号飞船在接近任务结束时围绕土星飞行的画面，图片：NASA/JPL-Caltech

原本以为这些结果是对“环形雨”质量的测量，科学家们知道，这是一股微小粒子从土星最深处的环形下降到行星的高层大气（主要是一些氢和氦）没什么稀奇的。但是发现的物质比他们预想的要多得多，这些物质来自于更多的外来化合物。该仪器不仅发现了氢和氦，还发现了一氧化碳、甲烷、氮气和无法辨认的有机分子残骸。其他仪器表明，这一倾盆大雨还包括水冰和硅酸盐颗粒，并表明，这一倾盆大雨是由这些颗粒与土星大气的最高水平相互作用引发的。在整个环形结构周围，总和约为每秒10吨(9000公斤)。INMS的首席研究员、西南研究所(Southwest Research Institute)的科学家亨特·韦特(Hunter Waite)表示：发生在那里的事情非常复杂，材料的数量也非常惊人。

这一发现不仅揭示了一个关于遥远世界的有趣现象，如果这一发现能够成立，它可能会对我们的太阳系以及更远地方产生更深远的影响。环雨中化合物出人意料的多样性可能会影响科学家对大气成分的估计，这反过来可能意味着对土星及其邻居如何形成和进化的假设进行调整。它可能只有这样的外观，“(这可能)在引导我们思考形成和演化方面有点欺骗性。此外由于材料太多，新的研究结果提出了一个难题：这些材料都来自哪里？这不可能是一个连续的过程，否则戒指就不会存在。它们可能会在数万年内耗尽物质，留下土星光秃秃的。(论文)讲述的真实故事是关于土星环的搅动……土星环可以很长时间存在，因为它们不断地移动和翻转。

行星的引力

卡西尼号还装备了测量土星磁场的设备。虽然科学家们以前曾研究过磁场，但只能在“先锋”号和“旅行者”号进行类似的飞越时短暂地研究磁场，而“卡西尼”号的大结局使他们比以往任何时候都更深入地研究磁场。而在这些紧密循环过程中收集的测量数据也提供了自己的惊喜。科学家们已经知道，土星的磁场似乎与它旋转的轴非常吻合——这是一项棘手的工作，因为据任何人所知，磁场是通过交叉旋转产生的。但是，一项对大结局测量结果的新分析显示，这两种现象的一致性甚至比科学家们预期的还要完美。

伦敦帝国理工学院的物理学家、论文的第一作者米歇尔·多尔蒂(Michele Dougherty)说：这意味着科学家们必须重新开始，试图从磁场和重力数据中找到答案，有些事情很奇怪。可能有什么东西阻碍了科学家们对土星真正的磁心的观察，制造了近乎完美排列的假象，阻碍了他们的理论。还没有找到答案，但无论我们得出什么答案，都将真正改变人们对行星内部结构的理解。在弄清楚到底发生了什么之前，科学家们将无法精确地测量土星自转所需的时间。这有点令人尴尬，卡西尼号在土星轨道上运行了13年，现在还不知道土星一天有多长。

由于在固体表面上既没有固定的特征，也没有磁场可追踪，确定数据只能停留在10.7小时左右。寻找磁场是混乱的核心部分由另一个惊喜潜伏在磁数据：一个新现象所产生的磁场相互作用带风的流动以不同的速率在土星的上层大气（电流通过）一层大气称为热电离层荡漾。原理是这样的：土星被风环抱着，赤道的风环抱得最快，南北的风环抱得更慢。当磁场的环状结构对准，使一端在赤道带内，另一端不在赤道带内时，赤道风就会拉住它周围的等离子体带电粒子，从而使磁场线倾斜。

卡西尼号测量结果是一个强大的电流相当于20个大型陆地发电厂的总和。作为一种副作用，这种电流也会在它周围的大气中产生热量，这可能有助于解释关于土星的一个长期谜团。加州大学洛杉矶分校的磁层科学家、论文的第一作者Krishan Khurana说：土星热大气层的一个谜是，它比预期的要热，这是部分答案。”虽然土星是这里的恒星，结果可能也解释了第二个太阳系之谜。木星大气层是高度湍流的，所以同样的现象被应用到木星的磁场中会产生非常大的电流，并且会非常迅速地加热热层。这其中包括大红斑，这是一场巨大的风暴，臭名昭著的木星南半球多瘤，科学家们已经意识到这是非常温暖的。

“大结局”并不是结局

这只是2018年10月4日发表的研究成果的一部分，而这恰恰是卡西尼号大结局最终将产生的大量科学成果的开始。一篇论文关注的是土星大气中产生极光辐射的区域，试图了解这些无线电波是如何产生。在另一篇论文中，一组研究人员发现了一个长期预测但此前未知的辐射带，该辐射带从行星最内环的高层大气中穿过。这意味着它完全不同于土星的主磁层，在上层大气和内环之间的这段空间中捕获带电粒子。对这种新辐射带的进一步研究表明，由于大块头环的干扰，这种辐射带相对于其他结构来说是相当弱。卡西尼号上的另一个仪器测量了土星电离层中的电子密度，绘制出了两个不同的层。

下层在赤道周围运动着更大的中性和带电分子，在环和物质的洪流下面；上层特征是更稀疏的微小带电粒子阵列。同样的INMS仪器帮助确定了所谓的环形雨中许多奇怪的化合物，这也使得科学家们能够计算出卡西尼号所经过的大气热层的近似温度。这些测量范围从150到200华氏度(67到97摄氏度)。另外两篇还没有准备好发表的论文突出了一些主题，比如嵌入在土星环中的小卫星，以及对这颗巨大行星的重力测量。当然，随着科学家们继续挖掘和分析大结局数据和“卡西尼号”剩余的工作，还有更多的发现有待发现，更不用说对后续飞船的观测了。这是一个非常激动人心的时刻，经过13年的卡西尼号数据，这最后的一点真是最令人兴奋的，那些让我们想要回去的东西、真的教会了我们比想像中更多的东西。

博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《科学》

文：Meghan Bartels/Space

DOI：10.1126/science.aat3185

DOI：10.1126/science.aat2027

DOI：10.1126/science.aat1962

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