土星：什么？我的主角光环即将到期？_风闻

原创：牧夫天文

翻译：陆寅枫

校译：陈艳玲 田程偲 汪荣鑫  

编排：胡暖暖

原文链接：

https://solarsystem.nasa.gov/news/794/nasa-research-reveals-saturn-is-losing-its-rings-at-worst-case-scenario-rate/

主要由水冰构成的土星环正在消失。这是因为土星环中的带电的冰质颗粒，在土星引力和磁场的作用下坠入土星。

通过比对数十年前旅行者1号和2号拍摄的照片，最新的NASA研究证实了土星环正在以最快速率消失。在土星引力和磁场的作用下，土星环中的冰质颗粒正在如同下雨一般坠入土星。

该视频简单说明了导致土星环消失的机制，和我们能从中获取的有关土星历史的信息。Credit: NASA’s Goddard Space Flight Centre/David Ladd

“据我们估计，在半小时内坠入土星的冰质颗粒所含的水分可以灌满一个奥运会标准的游泳池”，NASA戈达德太空飞行中心的詹姆斯·奥多诺休(James

O’Donoghue)说，“光凭这一点推算，土星环还剩下三亿年的时间。但是考虑进卡西尼探测器此前测量的坠入土星赤道的土星环物质的数据，我们认为一亿年之内土星环就会消失。与土星超过四十亿年的年龄相比，这是非常短暂的。”

这张土星照片由卡西尼探测器于2016年4月25日拍摄。拍摄时距土星约三百万千米，俯角约三十度。Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

天文学家一直不能确定土星环到底是与土星一起形成的，还是后来才被土星捕获的。这次研究的结果更偏向于后者：假设C环的密度一开始和B环相同的话，则变成今天这样的稀疏程度很可能不需要一亿年。“我们能看到土星的行星环系统其实是挺幸运的，因为它们似乎还只剩一半的寿命。不过，如果行星环都如此短暂的话，或许木星，天王星，或海王星过去都有庞大的行星环系统，只是我们已经错过了看到它们的时机”，奥多诺休说。

有关行星环的起源存在着许多不同的理论。如果土星是在形成之后才获得它们的，那它们起初可能是环绕土星运行的小型冰质卫星，轨道受到途经小行星或彗星的引力影响而改变，碰撞后变成了行星环。

土星环在接下来一亿年内变化过程的艺术想象图。最内侧的环最先消失，外侧的环也开始缓慢跟上。Credit: NASA/Cassini/James O’Donoghue

最初旅行者探测器捕捉到了有关土星环正在坠入土星的迹象。当时这些看来只是毫无关联的几个现象：土星电离层中的奇怪变化，土星环中的密度变化，和土星北半球中纬度环绕整个行星的几条窄暗带。在旅行者2号于1981年拍摄的土星平流层照片中这些暗带就首度现身了。

1986年，戈达德太空飞行中心的杰克·康纳尼 (Jack Connerney) 在地球物理学研究快报中发表了一篇文章，他将这些窄暗带与土星庞大的磁场形状联系起来，提出了这样一个假说：来自土星环的带电冰质颗粒沿着无形的磁场线飞向土星，冰进入土星上层大气层后融化成水，“倾倒”在土星特定纬度的上层大气层中，这些水冲走了平流层中的浓雾，使其反射的光减少，从而在旅行者拍到的照片中呈现出窄暗带。

土星环绝大部分都是由水冰组成，这些冰有的小如沙砾，有的大如石块（直径可达数米）。它们在土星的引力和环绕土星旋转的惯性间保持着平衡。这些冰质颗粒有两种途径可以带上电：太阳紫外线的辐射，或是微型陨石轰击行星环时发出的等离子云。当带上电后，这些颗粒便能感受到土星磁场对它们的吸引，之前的受力平衡受到扰动，它们便会在引力作用下沿着磁场线坠向土星上层大气层。在那儿，冰质颗粒融化成水并且与土星的电离层发生化学反应，结果之一便是延长了三氢阳离子的寿命(H3+，三个质子共用两个电子，极不稳定，很容易变成氢气H2)当接收到太阳光的能量后，三氢阳离子会发出红外光，而这正好被奥多诺休的小组使用位于夏威夷的凯克望远镜看到了。

他们观察到土星南北半球特定的纬度上有正在辐射红外光的窄带，而这些纬度正是穿过行星环的磁场线进入土星的纬度。他们通过分析探测到的红外光谱以确定由土星环坠入土星的水冰总量以及它们对土星电离层的影响。他们发现测量出的水冰总量与三十多年前康纳尼团队计算出的水冰总量的理论值惊人地吻合。坠入土星的水冰总量非常大，并且在南半球的某处达到最大值。

奥多诺休团队还在土星南半球更高的纬度上发现了另一条发出红外光的窄带，穿过土卫二轨道的磁场线就是在这一纬度进入土星的。土卫二上有着活跃的地质活动，还会时不时地向太空中喷射水冰。“这并非如此出乎意料”，康纳尼说，“根据旅行者拍摄的由它们形成的另一条窄暗带，我们判定土卫二与土星的E环都是丰富的水源。”土卫二上的这些喷泉最早由卡西尼探测器于2005年发现，科学家认为它们来自卫星冰质表面下的液态海洋。活跃的地质活动和液态海洋让土卫二成为太阳系内寻找地外生命最有希望的地方之一。

这张照片由卡西尼探测器于2009年11月1日拍摄。照片中土卫二正在土星环前运动，背景中的另一个天体是土卫十七，它正被土星反射的光照亮。在太阳的背光下可以清晰看到土卫二南极地区喷发出的水冰。Credit: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

团队很希望能研究这场下在土星上的雨是如何随着季节而改变的。在土星29.4地球年的公转周期中，行星环会以不同的角度朝着太阳。不同的照射角度应该会改变这场雨的大小，因为正是太阳的紫外光辐射使冰质颗粒带电。

『天文时刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

带标记的土星光环大图

Credit: https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA11142