土星的奇怪“螺旋桨”

发布时间：12年03月30日

编译谢懿

“卡西尼”土星探测器正在揭示出土星光环的微小细节，它们将为我们打开一扇通往最初形成时的太阳系的大门

　　7年来，卡西尼土星探测器一直徜徉在土星及其壮观的光环中。与之前奔赴太阳系边界仅瞥一眼土星的探测器不同，“卡西尼”年复一年地向地球发回着大量包含有惊人细节的图像。

　　这些图像揭开了许多有关土星、土星卫星和土星光环的谜题。不仅如此，“这些详细的观测还为太阳系的形成提供了重要的线索，”“卡西尼”成像小组成员、英国伦敦大学玛丽女王学院的卡尔·默里（Carl Murray）说。

光环的成因

　　土星的光环系统是目前我们所拥有的最接近45.5亿年前诞生地球和其他行星的尘埃、碎石盘的东西。这个原行星盘成形于一团由超低温气体和尘埃组成的星云在自身引力作用下的坍缩。随着这个转动的星云逐渐收缩，它就形成了一个围绕新生太阳的盘。“一旦太阳吹散了这些气体，盘中作轨道运动的碎石就和土星的光环系统极为相似，”默里说。

　　从那时起，较大的天体就会开始从碎石中聚集起来。它们会逐渐生长，清空它们周围的物质，它们的引力也会触及到更远的范围。在生长天体间的竞争会导致同类相残。

　　对于形成一颗行星则可能需要10万年的时间和更为复杂的过程，但我们对此只有极少的观测证据。“行星形成理论远没有达到成熟的地步，”美国月亮和行星实验室的莱纽·马霍特拉（Renu Malhotra）说。

　　这正是土星光环有用武之地的地方。“我们在光环中所看到的其复杂的结构、难以置信的变化告诉了我们许多有关行星形成的信息，”默里说。

　　其中最引人注目的是类似飞机螺旋桨形状的结构。当看不见的土星卫星穿行于围绕土星转动的冰质碎块时，就会产生这些痕迹。在土星宽1.4万千米、厚仅10米的A环中已经发现了几十个“螺旋桨”。

　　这些卫星本身太小了，直径只有几百米到几千米，因此即便是“卡西尼”也无法直接看到它们。相比之下，它们产生的螺旋桨形痕迹则可以达到数千千米长，其中一些已经被观测到达数年之久。它们的形成是由于卫星的引力拖拽周围的物质所造成的。位于卫星轨道内部的物质，因为更靠近土星，所以运动得较快，于是这一扰动迅速地压制了卫星的影响，在其前方形成了一条长而窄的痕迹。这就是“螺旋桨”中的前导桨叶。与此同时，处于卫星轨道之外的物质运动得较慢，就形成了尾随桨叶。默里说：“我确信，类似螺旋桨的结构是行星形成过程中会率先出现的结构。”

　　土星较大的卫星则代表了行星演化的下一个阶段。这些生长中的卫星具有充分的引力来扫除物质，在光环之间开凿出缝隙。生长中的行星也是如此。随着它们在原行星盘中逐渐长大，它们的影响也会增大。今天我们可以确切地看到这一过程的再现。土星的卫星土卫一直径400千米，是一颗大小适中的卫星。它不仅扫除了位于其轨道上的碎块，还清理掉了与之发生“共振”的轨道上的物质。例如，位于与土卫一呈2:1共振处的粒子，在这条轨道上的粒子每绕土星公转一圈的时间正好等于土卫一公转周期的2倍。它们会周期性地受到土卫一的拉扯。

　　虽然每一次的引力拉扯算不上什么，但经过长时间之后它们就会累积并把这些颗粒拽出它们的轨道留下一条缝隙。土卫一的引力雕琢出了土星光环中最为显著的、宽4,700千米的卡西尼环缝的内边界。

　　在更远的F环中，“卡西尼”的鹰眼发现，土星的卫星土卫十六正在光环物质中搅起波澜。这是因为它会吸引位于其轨道之内的物质，但当物质到达土卫十六的位置时，它已经疾驰而过了。这会产生深远的影响，原因是波会挤压物质并使得它更像一个固态的物体。默里说：“我们所看见的是一个掠过的卫星正在触发一个物体的形成，该物体的引力尚不足以使得它自发形成。”如果同样的过程发生在原行星盘中，像木星胚胎这样生长中的天体就会触发其他行星的形成，否则它们就不会存在了。

　　这并不是岩质盘可以影响行星形成的唯一途径。令美国喷气推进实验室“卡西尼”项目科学家琳达·斯皮尔克（Linda Spilker）感到吃惊的是，螺旋桨结构的轨道在不断地变化。“四年来我们跟踪了较大的‘螺旋桨’，发现它们有时候会往里运动、有时候又会往外运动，”她说。

早期的年代

　　也许一些埋藏在其中的卫星吸积了周围的物质并且被向外推出。其他一些则可能在和光环物质的相互作用中损失了能量，落向了更靠近土星的地方。这同时也帮助解释了位于其他行星系统中被称为热类木星的气态巨行星的存在，它们在极为靠近其宿主恒星的轨道上公转。由于恒星附近的气体温度过高无法被引力聚集起来，这些气态巨行星被认为是在距离它们宿主恒星远得多的地方形成、然后向内迁移到目前的位置的。“这可能就是我们正在土星光环中所看到的，”默里说。

　　马霍特拉相信还有更多可以学习的地方。她说：“土星光环和小卫星为完善我们对这些细致物理过程的认识提供了一个十分干净的天然实验室。”

　　不过，它们永远也不会告诉我们完整的故事。默里说：“虽然我们可以看到和行星形成早期阶段的相似性，但我们无法看到后期。”这是因为土星光环中的冰质碎片无法通过和原行星盘中形成行星相同的过程聚集成卫星。土星光环到土星的距离比水星到太阳的小了超过300倍，如此近的距离意味着土星的引力会撕碎任何孕育中的大型卫星。