潜入土星环之中

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潜入土星环之中

【本文主要对2018年10月5日《科学》杂志发表的多篇关于土星的研究论文加以简单介绍。】

作者：艾宇熙

校对：徐鹏晖

编排：王璞

太阳系中具有行星环的行星中，土星的行星环是最明显、易观测的。早在1610年伽利略用望远镜开始行星观测的时候，他就注意到土星的行星体旁具有某种附属结构；1655年，惠更斯用自制望远镜观测土星，提出土星周围的结构可能是一个薄而扁平的环；同年，他还发现了土卫六——泰坦。泰坦也是人类发现的第一颗土星卫星。1676年，卡西尼发现土星环具有环缝，他把外环称为A环，内环称为B环，而这条环缝在后来被命名为“卡西尼环缝”。卡西尼还发现过四颗土星卫星。

1997年，卡西尼－惠更斯号土星探测器发射升空，这个探测器的名字显然是在向上述两位17世纪的天文学家致敬。经过七年的飞行，它于2004年到达了土星附近。2004年底，卡西尼号和惠更斯号探测器分离，惠更斯号前往土卫六并于20天后在土卫六上着陆，卡西尼号则从此开始了它十几年绕转土星和飞掠土星卫星的旅程。

原本，卡西尼号的服役期限只到2008年。但到了2008年的时候，研究人员们发现探测器的状态仍然很好，就一次次增加了它的探测任务和服役期限。十几年来，卡西尼号在一次次飞掠任务中不断向地球传回全新的观测信息。直到2017年，卡西尼号的燃料接近耗竭。土星本身是一颗气体巨行星，但它的很多卫星都是岩质卫星，拥有含有有机物的环境，为了防止卡西尼号上可能携带的地球细菌污染土星卫星，研究者们决定让燃料耗竭的卡西尼号冲向土星，并最终在土星大气层中销毁。

图注：卡西尼号最后任务阶段的高空飞掠轨道（最外圈蓝线）和22次经过土星与其内环之间的轨道（内部蓝线）

图片来源：NASA/JPL

在卡西尼号最后的时光里，它先在飞掠外环外侧的“土星环观光轨道”上飞行，又在穿过土星环最内侧和土星“表面”之间的轨道上飞行了22圈，执行探测任务——这些区域大都是在先前的绕行和飞掠中未曾探索过的。2017年9月15日，卡西尼号消失在土星大气中。

卡西尼最后任务阶段所传回的数据和信息为我们带来了崭新的发现。一年多以后，2018年10月5日出版的《自然》杂志为卡西尼的最后任务设置了专栏，同时刊登了6篇基于最后任务数据的论文：

1. 土星表面和内环间存在由高能质子组成的辐射带

大多数拥有磁场的星体会俘获许多高能带电粒子，这些粒子组成的结构被称为辐射带。人们以前曾推测在土星表面和内环之间，也存在这样的辐射带。卡西尼任务的最后五个月里，人类首次实现了对这一区域带电粒子的实地测量。

土星的辐射带分布广泛，最外的辐射带达到土卫三轨道附近。在土星卫星轨道和土星环经过的区域，辐射带通常会被切断，这是由于卫星和土星环可以吸引质子。卡西尼号的探测数据显示，在土星表面和土星最内环之间存在能量高达几十亿电子伏特的质子，这一能量值比靠外的辐射带带电粒子高得多。银河系宇宙线与土星环相撞可以产生中子，中子发生β衰变产生质子。这些高能质子可能就是这样起源的。

图片来源：Roussos et al., Science 362, 47 (2018)

2. 来自低频射电源的土星千米波辐射

早在2008年，卡西尼号就曾记录到土星北极的极光辐射，同时探测到了两个10千赫兹的辐射源。在卡西尼号的最后任务阶段，它多次飞掠土星北极附近，探测土星千米波辐射，并在原位测定了射电源频谱。

图片来源：Lamy et al., Science 362, 48 (2018)

3. 土星D环上的尘埃颗粒会落入土星赤道上层大气

D环是土星环的最内环。长期以来人们猜测，在土星磁场的作用下，D环上的带电尘埃颗粒可能会向土星表面下落并进入土星大气，形成尘埃雨。卡西尼号在任务的最后阶段对这个猜测进行了验证。在土星上空3000千米处，仪器每秒能检测到30万个直径1-3纳米的微型尘埃颗粒，在上空1700-2000千米处和土星大气内，也同样能检测到带正电点的纳米级尘埃颗粒。据计算，尘埃颗粒自离开D环到降落到土星上层大气中要经历约4小时。每秒约有5千克的D环尘埃颗粒进入土星上层大气。

图片来源：Mitchell et al., Science 362, 50 (2018)

4.土星大气与土星环之间的化学相互作用

图片来源：Waite et al., Science 362, 51 (2018)

卡西尼号在最后任务阶段探测了土星大气和土星环的化学组成。在上层大气中，探测器检测到了氢气（H2）、氦气（He）和氘代氢（HD）。在土星环中，检测到了多种含氮或硫的分子。研究团队还计算了土星C环和D环之间物质的交换速率，以及物质的移动速度。

5.捕获从土星环向土星大气下落的尘埃颗粒

图片来源：Hsu et al., Science 362, 49 (2018)

卡西尼号携带的宇宙尘埃分析仪在任务的最后阶段收集到了土星内环与土星大气之间的尘埃颗粒，并分析了它们的化学组成。这些颗粒中有些是硅酸盐颗粒，有些是水冰颗粒。在距土星大气不同的高度上，颗粒成分的分布也不同。整体上，硅酸盐颗粒占30%左右，而土星环中的颗粒有95%左右是水冰，这说明土星与内环之间的颗粒在构成上与整个环的性质不同。

6.再探土星磁场

卡西尼号任务的最终阶段实地测量了土星环内区域的磁场。这些数据更加精细地刻画了土星内部磁场的极端轴对称特征。土星的磁场赤道向北偏离了土星赤道。这些数据证实了土星南北极磁场的不对称性，为测量土星磁轴方向提供了约束条件。该研究表明，土星磁轴与自转轴的夹角小于0.01度。