土星环像钟声一样 “响 “了起来

【内容简介】:对于地球和月球这样的岩石天体,可以通过对地震产生的地震波的研究来探测它们的地层,但是气态巨行星却没有,所以研究人员不得不采用其他方法,比如研究一颗行星的磁场。卡西尼太空船发现土星环系统有20多个波,是由土星的中心引起的,且能使其像钟一样响起。 这些波的特征是由行星的大小,形状和组成决定的。 它们揭示了土星表面下的大规模结构,包括那些无法找到的结构。

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这张 “卡西尼 “号的图像揭示了土星临近夏至时的北半球。

(图片:©NASA/JPL-加州理工学院/空间科学研究所)

土星环如钟声般响起,这使得研究人员有可能探索土星心脏深处的情况。

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引力将土星内部的地震波推向其环形系统,美国宇航局的卡西尼号任务能够探测到这些微小的震颤。根据一项新的研究,这颗行星内部的很大一部分比之前预期的更有层次感。

行星将其内部过程隐藏在难以穿透的层之后。虽然像地球和月球这样的岩石体可以通过研究地震产生的地震波来探测它们的层,但气态巨行星没有固体表面来测量这种波。相反,研究人员必须采用其他方法,比如研究行星的磁场。

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(图解:美国宇航局的卡西尼号航天器于2009年9月20日拍摄、2013年12月23日发布的这一景象,捕捉到了土星最大的卫星土卫六与其环之间的动态相互作用。在土星环内的每个位置,粒子都以特定的周期或节奏运行。这张图片聚焦在环中两个独立且附近的位置,这些节奏与土卫六16天轨道的不同方面同步,形成了从远处指向土卫六的标志性效果。 (图片来源:NASA/JPL-加州理工学院/空间科学研究所 )

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美国航天局的 “卡西尼 “号飞行任务于2004年抵达土星后不久,研究人员就意识到该行星的环在奇怪地摆动。宇宙飞船揭示的不是现有理论所预测的单一波,而是小波群,可以用行星内部最深处存在重力波来解释。

“[重力波]真正特别的地方在于,它们的存在本身就要求该内部深处至少有一部分是相对平静和稳定的,而不是对流的,”加州理工学院的研究员克里斯托弗-曼科维奇在一封电子邮件中告诉太空网。

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在这些新的研究出现之前,对太阳系巨行星的基本认识表明,它们的热流体内部向外推送热量,就像熔岩灯一样。但是,在较轻的氢气和氦气下面存在着岩石和水冰等重成分,会抑制流体的运动,产生重力波。在土星的情况下,这些波会导致行星像钟声一样响起。

“通过环形地震学探测到土星内部重力波,现在是土星内部相当一部分是稳定分层而非对流的稀缺铁证之一。”曼科维奇说。

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铃声如钟

在像地球这样的岩石行星上,行星表面下的扰动可以像波浪一样移动,穿过行星的内部并穿过其表面。因此,在距离强震震中数百英里的地方,都能感受到巨大的震动。最终,来自其他行波的干扰会形成横跨整个星球的驻波模式。

“这使得整个星球响起像钟一样的响声,”曼科维奇说。

像钟一样,这种波的特征由行星的大小、形状和组成决定。它们揭示了对地表下大规模结构的洞察力,包括那些无法以其他方式获得的结构。

同样的过程也发生在土星上,土星周围有一个由微小的岩石和冰块组成的美丽的环形系统。大多数时候,它们的轨道是平静而有序的,偶尔会发生碰撞。几十年来,科学家们已经知道,环形粒子会受到行星82颗卫星引力的影响.虽然环形地震学在20世纪90年代初就被提出来了,但直到一艘航天器花时间绕着行星运行,这个想法才得以付诸实施。

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卡西尼号发现,土星环也受到行星振荡引力场的震荡。 航天器表征了土星环系统中20多种由行星心脏引起的波。曼科维奇称,这些相互作用只发生在环中的特殊地方,但结果可能是 “戏剧性的”。这种影响很小,波峰到波峰的距离只有大约一公里,而环的跨度将近18万英里(30万公里)。

“这些波浪真的只有在非常细微的尺度上才会明显,”曼科维奇说。”卡西尼号通过前往土星近距离研究这个系统,使得研究这些波的精致细节成为可能。”

了解土星心脏深处的情况是一个非常持续的过程。根据曼科维奇的说法,环形地震学倾向于一个厚厚的稳定区域,该区域大约占行星半径的四分之一。这与从行星磁场收集到的信息有些不一致,磁场倾向于一个狭窄的、仅占行星半径的5%到10%的稳定区域。

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曼科维奇说,现在说这些结果对行星内部意味着什么还为时过早,但有一种可能性是,产生行星磁场的过程与它的同胞气态巨行星木星相比,甚至比以前预期的更不同。

没有对这次冲突感到沮丧,曼科维奇反而显得很兴奋。“随着多仪器卡西尼数据的全部含义被研究出来,未来几年将是一个令人着迷的过程。”

“这证明了像卡西尼号这样的航天器任务的威力,我们拥有如此多样化的数据,其中不同的部分似乎说的是不同的事情–这反映了我们理解上的差距,并提供了一个发现的机会。”他补充说:“科学协同作用是最好的。”

作者: Nola Taylor Redd

FY: Charon

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