卡西尼號揭示土星奇怪“雨”和其它驚喜

在遙遠地球人眼中，土星與其光環之間的間隙看起來很平靜，就像一個美麗複雜的結構與另一個之間的真空呼吸。但是在NASA最受歡迎的行星科學任務之一後誕生的11篇新論文中，科學家們摧毀了這一幻想，在這一空洞中展示了一系列出乎意料的複雜現象。這些論文發表在重要的科學期刊上，代表了首次發表的研究，其中包含了卡西尼號任務所謂的“大結局”的數據。“大結局”是一組大膽的軌道，飛船在土星和土星環之間穿過。綜合起來，這些論文描繪了一幅詳細的圖景，描述了行星最內環和上層大氣之間發生了什麼——令人驚訝、引人注目的現象，像一陣猛烈的化合物冰雹砸向行星赤道區域，以及僅僅由行星的風和磁場產生的電流。

2017年卡西尼“大結局”自墜毀土星大氣層的任務概念圖。圖片：NASA/JPL-Caltech

博科園-科學科普：美國宇航局卡西尼任務的項目科學家Linda Spilker說：我們確實認爲這是一個缺口，研究小組對“卡西尼號”在自墜毀後能夠學到的東西持樂觀態度，但這次行動最終產生了她所謂的“比我們想象更豐富的科學回報”——甚至把它比作一次全新的任務卡西尼號飛船花了13年的時間研究土星及其衛星。但當燃料耗盡時，執行任務的科學家們設計了一個大膽的軌道，讓宇宙飛船繞土星環飛行，然後在大氣層中燃燒。這一舉措確保了該系統中可能適宜居住的衛星不會捕捉到任何可能搭乘宇宙飛船的地球細菌。但它也讓科學家們從它的儀器中擠出了一些額外的數據——並將航天器推進了超出想象可能的距離，因爲“卡西尼”號和它的儀器都不是爲了完成如此難以置信的壯舉而設計。

2017年卡西尼“大結局”自墜毀土星大氣層時的景象概念圖。圖片：NASA/JPL-Caltech

科學家們聚集在一起準備第一次“潛水”，想知道這艘宇宙飛船是否能存活到最後一刻。斯比克和其他土星科學家說：即使在2018年10月4日發表論文之後，從數據中篩選出來的宇宙飛船發現也遠未完成。基本上可以看到卡西尼號過去13年收集到的大量數據，實際上只是在數據集的頂部略去了一些精華。這項工作幫助科學家開始瞭解土星上發生的個別現象。即使是現在，下一步也要做的是把這些數據片段放在一起，形成一幅連貫的畫面，看看所有的數據集，看看是否有一個共同的故事。但與此同時，讓我們來看看科學家們已經對這個環狀行星有了哪些瞭解。

下雨了，下着傾盆大雨

一項新發現是由儀器結果引起的，這些結果非常奇怪，以至於研究小組的科學家們一開始以爲肯定是弄錯了。這種儀器被稱爲離子和中性質譜計(INMS)，能夠嗅出它捕獲的物質化學成分。科學家們看到這些結果特別興奮，因爲有消息說，這個儀器有什麼問題。“自從任務結束以來，關於INMS的結果有很多討論，乍一看，這是一種你幾乎不相信的事情，作爲一名科學家，必須做一點直覺檢查。“卡西尼”號探測器在早期探測土衛六和土衛二等衛星時，收集了關鍵數據。西南研究所INMS項目的負責人Rebecca Perryman說：然後真正開始關注土星，讓它成爲任務的最後一部分，做了很多工作來完成最初的所有計劃，並吹噓一旦進入大氣層，INMS將能夠得到一些奇妙的結果。

卡西尼號飛船在接近任務結束時圍繞土星飛行的畫面，圖片：NASA/JPL-Caltech

原本以爲這些結果是對“環形雨”質量的測量，科學家們知道，這是一股微小粒子從土星最深處的環形下降到行星的高層大氣（主要是一些氫和氦）沒什麼稀奇的。但是發現的物質比他們預想的要多得多，這些物質來自於更多的外來化合物。該儀器不僅發現了氫和氦，還發現了一氧化碳、甲烷、氮氣和無法辨認的有機分子殘骸。其他儀器表明，這一傾盆大雨還包括水冰和硅酸鹽顆粒，並表明，這一傾盆大雨是由這些顆粒與土星大氣的最高水平相互作用引發的。在整個環形結構周圍，總和約爲每秒10噸(9000公斤)。INMS的首席研究員、西南研究所(Southwest Research Institute)的科學家亨特·韋特(Hunter Waite)表示：發生在那裏的事情非常複雜，材料的數量也非常驚人。

這一發現不僅揭示了一個關於遙遠世界的有趣現象，如果這一發現能夠成立，它可能會對我們的太陽系以及更遠地方產生更深遠的影響。環雨中化合物出人意料的多樣性可能會影響科學家對大氣成分的估計，這反過來可能意味着對土星及其鄰居如何形成和進化的假設進行調整。它可能只有這樣的外觀，“(這可能)在引導我們思考形成和演化方面有點欺騙性。此外由於材料太多，新的研究結果提出了一個難題：這些材料都來自哪裏？這不可能是一個連續的過程，否則戒指就不會存在。它們可能會在數萬年內耗盡物質，留下土星光禿禿的。(論文)講述的真實故事是關於土星環的攪動……土星環可以很長時間存在，因爲它們不斷地移動和翻轉。

行星的引力

卡西尼號還裝備了測量土星磁場的設備。雖然科學家們以前曾研究過磁場，但只能在“先鋒”號和“旅行者”號進行類似的飛越時短暫地研究磁場，而“卡西尼”號的大結局使他們比以往任何時候都更深入地研究磁場。而在這些緊密循環過程中收集的測量數據也提供了自己的驚喜。科學家們已經知道，土星的磁場似乎與它旋轉的軸非常吻合——這是一項棘手的工作，因爲據任何人所知，磁場是通過交叉旋轉產生的。但是，一項對大結局測量結果的新分析顯示，這兩種現象的一致性甚至比科學家們預期的還要完美。

倫敦帝國理工學院的物理學家、論文的第一作者米歇爾·多爾蒂(Michele Dougherty)說：這意味着科學家們必須重新開始，試圖從磁場和重力數據中找到答案，有些事情很奇怪。可能有什麼東西阻礙了科學家們對土星真正的磁心的觀察，製造了近乎完美排列的假象，阻礙了他們的理論。還沒有找到答案，但無論我們得出什麼答案，都將真正改變人們對行星內部結構的理解。在弄清楚到底發生了什麼之前，科學家們將無法精確地測量土星自轉所需的時間。這有點令人尷尬，卡西尼號在土星軌道上運行了13年，現在還不知道土星一天有多長。

由於在固體表面上既沒有固定的特徵，也沒有磁場可追蹤，確定數據只能停留在10.7小時左右。尋找磁場是混亂的核心部分由另一個驚喜潛伏在磁數據：一個新現象所產生的磁場相互作用帶風的流動以不同的速率在土星的上層大氣（電流通過）一層大氣稱爲熱電離層盪漾。原理是這樣的：土星被風環抱着，赤道的風環抱得最快，南北的風環抱得更慢。當磁場的環狀結構對準，使一端在赤道帶內，另一端不在赤道帶內時，赤道風就會拉住它周圍的等離子體帶電粒子，從而使磁場線傾斜。

卡西尼號測量結果是一個強大的電流相當於20個大型陸地發電廠的總和。作爲一種副作用，這種電流也會在它周圍的大氣中產生熱量，這可能有助於解釋關於土星的一個長期謎團。加州大學洛杉磯分校的磁層科學家、論文的第一作者Krishan Khurana說：土星熱大氣層的一個謎是，它比預期的要熱，這是部分答案。”雖然土星是這裏的恆星，結果可能也解釋了第二個太陽系之謎。木星大氣層是高度湍流的，所以同樣的現象被應用到木星的磁場中會產生非常大的電流，並且會非常迅速地加熱熱層。這其中包括大紅斑，這是一場巨大的風暴，臭名昭著的木星南半球多瘤，科學家們已經意識到這是非常溫暖的。

“大結局”並不是結局

這只是2018年10月4日發表的研究成果的一部分，而這恰恰是卡西尼號大結局最終將產生的大量科學成果的開始。一篇論文關注的是土星大氣中產生極光輻射的區域，試圖瞭解這些無線電波是如何產生。在另一篇論文中，一組研究人員發現了一個長期預測但此前未知的輻射帶，該輻射帶從行星最內環的高層大氣中穿過。這意味着它完全不同於土星的主磁層，在上層大氣和內環之間的這段空間中捕獲帶電粒子。對這種新輻射帶的進一步研究表明，由於大塊頭環的干擾，這種輻射帶相對於其他結構來說是相當弱。卡西尼號上的另一個儀器測量了土星電離層中的電子密度，繪製出了兩個不同的層。

下層在赤道周圍運動着更大的中性和帶電分子，在環和物質的洪流下面；上層特徵是更稀疏的微小帶電粒子陣列。同樣的INMS儀器幫助確定了所謂的環形雨中許多奇怪的化合物，這也使得科學家們能夠計算出卡西尼號所經過的大氣熱層的近似溫度。這些測量範圍從150到200華氏度(67到97攝氏度)。另外兩篇還沒有準備好發表的論文突出了一些主題，比如嵌入在土星環中的小衛星，以及對這顆巨大行星的重力測量。當然，隨着科學家們繼續挖掘和分析大結局數據和“卡西尼號”剩餘的工作，還有更多的發現有待發現，更不用說對後續飛船的觀測了。這是一個非常激動人心的時刻，經過13年的卡西尼號數據，這最後的一點真是最令人興奮的，那些讓我們想要回去的東西、真的教會了我們比想象中更多的東西。