迷人的土星光環到底隱藏了多少祕密?


迷人的土星光环到底隐藏了多少秘密?

关于太阳系的八大行星,每一个都有自己独特的标志,例如:土星的“环”。作为一颗直径和质量仅次于木星的气体巨星,土星也有一个特殊的名字叫“克龙尼”( Cronian)。关于土星有很多疑问。生成一个宽阔的土星环系统容易吗?哪些关键指标表明土星“光环”的真实年龄?

土星环延伸近30公里,包含无数大小不一的粒子。这是行星科学中最持久的谜团之一。它不仅仅是一个“装饰”。这是太阳系的基本特征吗?45亿年前,理论上的碰撞产生了我们现在看到的东西?这些答案不仅有助于理解行星环,而且对于科学家重建太阳系的历史尤为重要。根据卡西尼对光环质量和亮度的测量,许多科学家认为这些光环应该非常年轻。

迷人的土星光环到底隐藏了多少秘密?

制造如此巨大的土星环系统并不容易

关于土星环,有许多令人信服的论点认为土星环并不年轻。事实证明,要在较近的时间内建立这样一个大的环形系统是不容易的。行星可以吸引和驱散经过的彗星,甚至是整颗彗星的碎片形成环形结构。当然,还有另一种可能性,那就是,一个缠绕在一起的物体闯入了土星的一个卫星,从溅出的卫星中形成了一个环。尽管这些推论看起来很简单,但是每个方案都有自己的特殊需求。

经过科学调查,虽然这些都是很好的想法,但是有多少彗星在太阳系周围飞行,我们没有足够的条件来确定它。至少在过去的数亿年里,这样的环境发生的概率只有百分之几。在这个时候,科学家开始假设整个过程不涉及彗星。“光环”的来源不是外部的土星系统,而是完全来自内部。SETI研究所的英国科学家和其他研究人员发现,当这颗行星与卫星处于交叉轨道时,发生了一件意想不到的事情:大约1亿年前,在追踪卫星轨道的计算机模型中,卫星轨道上的一切都略微偏离了最初的轨道。卫星被推到土星的轨道上。虽然这些轨迹今天还没有被观测到,但模拟数据显示它确实发生了。

建模过程中发生的事情与我们的观察结果不同

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与我们所观察到的不同的是,它们的轨道更深入土星的赤道平面。早期的卫星系统必须重新安排成我们今天看到的系统,这意味着当前的卫星必须更年轻,所以它们没有经历建模中发生的所有事情。后来的工作终于发现,可能导致重排的主要原因是遥远的太阳。即使距离如此遥远,太阳的引力也很容易扰乱地球的运动。是太阳的弱引力导致了它和它的兄弟姐妹的碰撞。然后,一个比现在大十倍的环形成了,其中一些甚至聚集起来形成了新的卫星。

这一系列的假设和推论似乎是合理的,但是没有解释这些碎片产生的物质是如何形成一个环的。因为,为了实现这一点,需要一个必要条件,也就是说,碰撞碎片和土星之间的距离必须足够近,这样才能防止行星的重力分散。

模拟古代的环碰撞更有说服力

相对而言,在实践中,旧环更容易形成。数十亿年前,当行星进入它们现在的位置时,它们在太阳系中摇摆着,没有稳定的目标。在这个时候,一些古老的灾难发生了,这些事件的结果生成了装饰土星的“戒指”。当落在戒指上的黑尘率随时间变化时,如果关于戒指变黑的基本假设是错误的,那么戒指可能是原始的,具有超自然的明亮光泽。

虽然冰环粒子和尘埃之间的影响很大,但可能不足以像科学家认为的那样给土星环上色,这意味着沉积的阴影将比预期的要小。模拟类似的碰撞应该更有说服力。当碎片的初始质量高于回路中的碎片时,碎片将面临快速扩散和耗散。其中一些落入土星,另一些落入土星环和卫星。

在这种情况下,无论其质量是土卫一的1倍还是10倍,因为时间是数十亿年以上,基本轨道动力学可以表明,对于我们今天看到的确切数量的物质,它几乎可以解决。简而言之,如果这样的碰撞已经传播了40亿年,那么人们所期望的精确质量就完全等同于这些环。

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哪些关键指标能暗示“戒指”的年龄?

关于土星环起源的争论可以追溯到几十年前,这些数据主要是旅行者1号和2号任务的近距离探测。观测结果表明,这些光环足够轻,足以在太阳系数十亿年的时间里保持它们的光芒。此外,卡西尼精心测量的环的质量与旅行者号非常接近。

我们没有证据表明这些环被污染了。同时,这些冰环在吸收物质的同时不断地向大气中喷射冰粒子。如果需要一段时间来想象预测,那么这样的流星雨可能会在3亿年内完全吞噬这些光环

过去和未来在土星环系统的演化和重建中被观察到

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​土星的长期演化和起源是现代行星科学中尚未解决的问题。“旅行者年龄”显示土星的光环不超过100My( 厚度单位 ),它的扩散环系统也被认为是由一个甚至多个卫星的物质损失造成的。时间来到了“卡西尼时代”,其中一些已经取得了进展,由于光谱分辨率和高空间数据,如在A环中发现的“螺旋桨”,以及嵌在环中的月球形状。

也许,要解开土星之谜,行星动力学领域是一个可行的解决方案。通过引力相互作用的模拟,我们可以重建今天观测到的过去甚至未来;或通过实验室对黑暗尘埃和寒冷粒子的高速碰撞进行检测,最终确定尘埃的颜色和温度;或者需要对土星表面的陨石坑进行更详细的分析,这样才能更好地确定它们的真实年龄。

经过20年的探索,数值模拟也变得更加先进。了解环的形成为我们了解太阳系提供了一个更清晰的背景。这些因素对我们有重要的意义,加强了对土星环的动力学和快速发展的看法。科学家们暂时无法就该光环的形成和大小达成一致。尽管有各种各样的预测和解释并不一致,但探索的道路已经变得有趣了。

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