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最美的行星 - 土星:堪称微型太阳系 可能还有生命

2022-05-07 10:46:11  来源:快科技

该探测器以意大利出生的法国天文学家乔凡尼·多美尼科·卡西尼的名字命名,其任务是环绕土星飞行,对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察。

卡西尼号星际探测器

在经过6年8个月、35亿千米的漫长太空旅行之后,于北京时间2004年7月1日12时12分按计划顺利进入环绕土星转动的轨道。

在之后的13年以来,“卡西尼号”让科学家们发现了他们从未想象过的东西,并揭开了土星那神秘的面纱。

“卡西尼号”拍摄了这颗行星气体表面的特写镜头,这些照片展示了一个动荡和暴风雨的世界。

在地球上经历过飓风的人,知道地球上的一些风暴特别猛烈。然而当与土星上的风暴相比,那些风暴简直就是微风而已。

在土星上,有一个风暴让科学家们感觉非常奇怪,因为在这个风暴的位置上显示出一个独特的形状——一个六边形的环带。

土星极点上有六边形环带的风暴

没有人料到会有六边形环带的风暴。在“卡西尼号”的一生中拍摄了很多六边形的图像。

每当科学家们在网站上发布一张六边形的图片,网站的点击率就会飙升。不只是普通民众,就连科学家们第一次看到这个的时候,都被震撼了。

谁能想象在一个行星的大气层中会有这样的规则的东西,几乎是几何形状的?

“卡西尼号”的数据显示这个六边形风暴可能是数百英里高的高耸结构。它是一个巨大的结构,它有几千英里宽。

就在中心,即极点,是一种永久性的漩涡——永久性的飓风。

这简直就象是一种令人毛骨悚然的眼睛一直盯着我们看。

六边形的每一面都和地球一样宽,这看起来像是人为的。

土星上的六边形风暴或云结构是如何形成的呢?

科学家们认为土星的自转和气流相互作用形成了这个对称的形状。但他们不知道为什么它会持续几十年,这是个谜题。

虽然六边形的形状是稳定的,但颜色已经改变了。在四年多的时间里,它从蓝色变成了金黄色。

这种转变与土星的季节有关。土星上的季节和地球上的一样,就是行星的倾斜度。

所以当土星绕着太阳转的时候,它的北极向太阳倾斜。这样在那里就能得到更多的光,阳光和大气相互作用产生悬浮粒子,叫做气溶胶。

所以随着时间的推移,六边形从蓝色变成了橙色,颜色的变化发生在土星北半球的一个夏天。但神秘的是,六边形的中心仍然是蓝色的。

这可能有两个原因。

一个原因是,也许是因为“眼睛”被遮挡住了,照不到太阳,所以“眼睛”里没有形成雾霾。而太阳是造成我们在土星上看到的棕色雾霾的原因。

第二个原因,也可能是真正的原因:漩涡正在把雾霾吸下去,也许有类似飓风眼的东西,上面有一层薄雾但会被吸进“眼睛”里。

但是土星上的六边形环带风暴并不是土星天气中唯一不寻常的事情。

【雨水会从太空落到行星上】

2017年4月,“卡西尼号” 沿着一条大胆的新道路潜入土星环之间。去一个以前没有宇宙飞船飞行过的地方,进行一套独特的测量。

这是一片未知的领域,科学家们不知道他们会找到什么。那里可能有能够摧毁“卡西尼号”飞船的物质。

然而,再次让科学家们意想不到的事情发生了。“卡西尼号”发现在雨正在从太空中落到行星上。

在地球上经常下雨,但雨云最多也就几英里的高度。而土星上也会下雨,雨水会落在高层大气的顶部,并且这些雨水来自太空。

2018年,“卡西尼号”的数据揭示了这场暴雨的巨大重量。冰粒雨以每秒几吨的速度撞击土星。

这雨是从哪里来?没有任何雨云。答案是土星环。

土星环是土星最美丽、最引人注目、最独特的标志。从远处看,土星环看起来就像一个完整的结构,但当你近距离观察时,实际上是一堆冰晶和冰岩石构成了土星环。环状物的大小从尘埃颗粒到大圆石再到房屋都有。

土星环远在土星的大气层之上,它们在太空中。在正常情况下,这些组成土星环的冰粒子会永远绕着土星转。

但事情有点奇怪,有什么东西让这些绕轨道运行的冰粒子向内落下就像一种宇宙冰雹。物质正从土星环向内滴落,然后落入土星的云层中,就像没有雨云的雨。

“卡西尼号”发现雨是由不同种类的冰颗粒混合而成的。然后研究人员意识到冰粒是带静电的。

来自太阳的紫外线可以释放出一个电子,这就给这些粒子带来了电荷。就像用气球摩擦你的头发,然后头发会因为静电而使它粘在墙上一样。

显然,如果有这样的粒子,它们会受到磁力的影响。

而土星有很强的磁场。地球的磁场来自于它熔化的旋转铁芯。虽然土星可能有一个岩石中心,但它主要是一个由氢和氦组成的巨大球体。

但在其内部深处,科学家认为有更奇特的事情正在发生。在土星内部,极端的压力和温度迫使氢不再像气体一样活动,变成了旋转的液态金属氢。

液态金属氢可以在流体中自由移动。这样,液态氢在极端压力下可以像金属一样工作。

由旋转的金属氢组成的外核产生的磁场,将冰粒子从环中拉出来。这些带电的冰粒子随后被土星磁场吸引。它们沿着磁场线像雨一样落在土星的大气层上。每秒钟有好几吨的物质落在土星上。

【成千上万的土星环】

关于土星环,科学家们想知道这个环到底有多少质量的物质。

在“卡西尼号”完成任务的最后几天,它是在土星和土星环之间飞行。通过采集的引力数据,科学家们可以分析出有多少质量来自土星,有多少来自土星环。

分析结果另科学家们感到惊讶,土星环实际上质量并不大。虽然土星环覆盖的区域和月球绕地球的轨道一样大。但土星环的质量比我们的月球小10万倍。它们比科学家们想象的要轻得多。

如此轻的质量意味着土星环很年轻。科学家们还发现,土星环非常明亮和冰冷。这就意味着,土星环还没有时间受到微流星体的污染。如果土星环存在的时间很长的话,环会就变暗。

所以科学家们推断,这些环可能只有1亿年的历史。也就是说,如果早在恐龙时代你就生活在地球上,那么,太空中可能有一颗没有光环的土星。

我们知道,土星已经存在很久了。所以这个环就不是和土星同时形成的。那它们是怎么形成的?是什么让它们保持在那里的?

要在1亿年前形成土星环,需要找到一个物体——可能是一颗彗星或一颗离土星太近的卫星。

土星的引力会将其撕裂,当这个物体被撕裂的时候,碎片就会在土星周围散开形成了土星环。它们不断碰撞,并破碎成越来越小的碎片。就像海滩上的鹅卵石一样,随后彼此之间的碰撞和自我碰撞会使它们尖锐的边缘消失从而产生圆形的颗粒。

从远处看,土星环看起来非常薄几乎完全平坦。但外表可能具有欺骗性,当“卡西尼号”最后一次进入土星,当飞过土星环的时候,科学家们注意到一个事实:土星环的密度并不是均匀的。

土星环的结构很复杂,有的边缘处像卷曲的刀口,有的像唱片上的凹槽。

卷曲边缘的土星环

那么,这些结构来自哪里?

线索就藏在光环里。

在“卡西尼号”拜访土星之前,我们只知道土星有5至7个环,而实际上,即不是7个环,也不是700个环,而是有成千上万个环,甚至可能有数百万个微小的环。

它们之间有的间隙很小,有的间隙很大。甚至这些环中还内嵌有卫星。

土星环中各种内嵌的卫星

正是这些土星的卫星,用它们的引力搅动环中的粒子,产生了波动。卫星每转一圈,环粒子就会转两圈,就像推秋千一样。如果以合适的速度推动它们,它们就会越来越高。这些地方就是波浪产生的地方。

于是在光环和卫星之间进行,就形成了这种复杂的结构,就好像是卫星和光环之间优雅的芭蕾舞。

通过引力相互作用,这些卫星可能正在塑造和引导这些光环,让它们的“羊群”在一个很好的,紧密的轨道上环绕土星运行。

在整个土星环中,一共有7个土星卫星,它们一起工作,来保持环系统的结构。在这7个壮观的卫星中,最大的是土卫一,它的大小是月球的八分之一;最小的土卫十八直径只有32公里。正是这七个卫星的共同作用形成了我们今天看到的环系统。

【土星众多的卫星】

土星有很多卫星,真的是有很多卫星。它们都很有趣,而且各不相同。至于土星到底有多少颗卫星,科学家们也很难得出确切的数字。

因为土星的卫星数量几乎每年都会发生变化,科学家们经常会发现新的卫星。1996年时为18颗,2000年就上涨到了24颗,2003年是53颗,2005年则达60颗,后来发现有62颗,2019年达到82颗。

土星的卫星,个头都非常小,如果是比较大的话可能早就被发现了。

土星有24颗卫星属于常规卫星,离土星相对近一些,更重要的是,它们的公转方向与土星自转方向相同,且在土星赤道面附近。而外侧有很多个头较小,轨道比较特殊,被归为不规则卫星。

科学家根据倾角和公转方向的不同,将它们划分为三个族群:“高卢”群、“挪威”群、“因纽特”群。

“高卢”群的卫星都是顺行的,轨道倾角在35°至40°之间,偏心率0.53左右。

“挪威”群的特点是“逆向行驶”,轨道倾角在136°~175°之间,偏心率的范围也很宽,从0.13到0.77,正因为此,它们又可以被分为好几个子群。在久远的过去,土星可能曾俘获过一个小行星,后来在引潮力的作用下瓦解成许多碎块,并逐渐形成这一族群。

“因纽特”轨道倾角40°~50°,偏心率0.15~0.48,这类卫星可能也由历史上一个更大的卫星分裂所形成。

正因为土星的卫星轨道布局等复杂多样,再加上它有一个壮观的土星环,所以科学家也将土星系统称之为微型太阳系。

【土卫八——人格分裂的核桃卫星】

土星的众多卫星,每一个都有不同的和特性。但其中一个有着分裂的人格和非常黑暗的一面的卫星——土卫八。

2017年5月,“卡西尼号”迎来它的最后一站,探测器拍下了距离土星320万公里的一颗奇怪卫星——土卫八的最后一张照片。

土卫八是在几百年前被发现的,从一开始人们就认识到它的一面非常亮,而另一面则非常暗。

土卫八

当意大利天文学家乔瓦尼·卡西尼在1671年第一次发现它时,这颗又暗又亮的卫星让他很困惑,这一直困扰着科学家们。所以拜访土卫八也是“卡西尼号”的主要目的之一。

“卡西尼号”不负众望,揭示了土卫八的谜题。

在离土星更远的地方,有另一个卫星的存在,是一个非常大但非常暗的卫星——土卫九(菲比)。

它在土卫八之外,正以相反的方向围绕土星运行。土卫九环绕土星的距离是土卫八的四倍。当微陨石环绕星球时,它会撞击卫星表面并产生一团黑暗的尘埃。

土卫九身上的尘埃形成了一个大环,一个由黑暗尘埃物质组成的环。朝着土卫八相反的方向向土星漂移,这是土卫八在其轨道上扫荡创造黑暗面的完美材料,然后形成了一个黑暗的一面。

由于土卫八被潮汐锁定在土星上,所以一边总是面对着行星,而另一面则在尘埃中前进。这使得土卫八面的一个面沾染了黑暗的尘埃,也导致黑暗一面的温度比另一面明亮的部分高10摄氏度。

因为黑暗的东西能更好地吸收阳光,也就更容易让冰蒸发,变成蒸汽。然后蒸汽会前往较冷的尾部,然后在那里再次冻结。所以最终导致白色的一面变得更白,黑色的一面变得更黑。这就是土卫八两面性的原因。

虽然土卫八的两面性很奇怪,然而“卡西尼”发现,这并不是这颗卫星最奇怪的地方。最让科学家奇怪的是,土卫八的形状像一个核桃。

土卫八有一条山脉,正好环绕它的赤道。这条山脉比喜马拉雅山还高,这些山超过19公里高,比地球最高峰珠穆朗玛峰的两倍还要高。

土卫八上环绕赤道的山脉

关于这条山脉是如何形成的,一个非常有趣的想法是,在一段时间内,就像土星本身有这个巨大的环系统一样。土卫八可能也有一个环系统。随着时间的推移,土卫八的光环崩塌了,落在了卫星的表面上,就在环的轨道下方形成了一条山脉。

可能存在过的土卫八的环系统

【可能孕育有生命的土卫二】

当然,胡桃形的土卫八并不是土星周围唯一奇怪的卫星。“卡西尼号”发现土卫二冰冷的表面下隐藏着许多秘密,这颗卫星甚至可能孕育生命。

土卫二是太阳系中最有趣的卫星之一,它是土星的一颗相对较小的卫星,很容易被忽视。但你一旦注意到它,它会带来很多惊喜。

自从旅行者号在1980年拍摄了照片之后,科学家们就知道这个冰冷的世界有些东西是不寻常的。原本以为土卫二会被冻结成固体,但我们从“旅行者号”上得知土卫二的表面是明亮的白色。

可以在表面上看到这颗卫星的巨大轮廓是平滑的,至少在“旅行者号”的分辨率上是如此。

旅行者号拍摄的土卫二照片

这立刻说明了它的内部有活动,因为在一个没有空气的卫星上,这是唯一可以清除陨石坑的过程。

科学家们怀疑土卫二表面有什么东西在活跃地浮出表面,填满它的陨石坑,使它变得光滑和明亮。

然后“卡西尼号”发回了土卫二背光的照片,一切都被揭开了。科学家们看到冰喷流从土卫二上喷射了出来。

土卫上的喷泉

这么小的一个卫星,一向被认为是一个冰冻的固体冰块,竟然如此活跃。喷泉喷出几乎明亮的发光物质。

经过分析,间歇泉喷发出来的物质就是液态水。土卫二不是一个固体的冰球。

进一步发现,土卫二的摆动很大,对于一个一直被冻结的固体来说,这告诉科学家们有一个液态水海洋围绕着一个岩石内核。

土卫二表面下有液态水,而且很有可能是海洋覆盖在它的内部。

但热量从何而来?

当行星和卫星形成时,它们的核心是非常热的。但随着时间的推移,它们会冷却下来。星球越小,冷却得越快,一个像土卫二这样的小星球,距离太阳16亿多公里,现在应该已经冻成固体了。

但土卫二告诉我们,情况根本不是这样。一个离太阳这么远的小卫星,怎么会有足够的温度来储存液态水呢?

科学家们认为,可能是潮汐加热。

如果你打过壁球,你就会知道,当你打这个球的时候,球就会变热。这是因为当球碰到球拍或墙的时候,它会被压扁,接着它就放松了。随着不断地压扁和放松,球就会变热。

在土卫二环绕土星运行的过程中,土星的引力会挤压和放松土卫二,就像壁球一样,土卫二被加热了。但仅仅是这一点不足以产生足够的热量,阻止土卫二的水结冰。

内核中一定还发生了别的事情,如果土卫二的核心实际上是一种砾石呢?

即土卫二的核心不仅仅是固体,它实际上是由岩石、卵石和砾石组成。当潮汐拉伸和挤压岩石时,这些岩石就会相互摩擦,从而产生更多的能量。

2017年,一个基于“卡西尼号”数据的计算机模型显示潮汐摩擦产生的能量比美国最大的发电站还要多。

所以,在土卫二上,被加热到90摄氏度的水上升到地表,从卫星南极的裂缝中喷射出来,形成雾状的羽流。

“卡西尼号”飞行七次穿过雾状的羽流,采样了这些气体和粒子时,科学家们发现了含盐的粒子。

这个海洋竟然很像地球上的海洋,还发现了碳氢化合物:甲烷、二氧化碳和氨气。这些都是生命的关键成分。

2018年,科学家们重新分析了土卫二的数据,发现了更引人注目的东西——复杂的有机分子。

这不得不让科学家们提出了另一个问题,那就是下面还有什么?

在地球上,我们发现生命聚集在海底的热喷口周围,那么在土卫二的海洋中也会是如此吗?这些复杂的有机分子会是生命的迹象吗?

看来,要解开这个谜题,只有等哪天发射探测器降落在土卫二,并钻开土卫二厚厚的冰层然后潜入海洋去一探究竟了。

【泰坦】

关于土星的卫星,还有一颗卫星是很有名的,那就是土卫六——泰坦。

2017年9月,在任务结束前四天。“卡西尼号”也去拜访了土星最壮观的卫星之一——泰坦。

之所以泰坦会这么吸引科学家,是因为它有一个主要由氮组成的广泛的大气层,就像地球上的一样。

泰坦一直是个谜,厚厚的大气层下隐藏着什么?

透过望远镜,这颗卫星看起来就像一个朦胧的橙色球。

“卡西尼号”发射了惠更斯号探测器,它穿过云层发回了泰坦表面的图像。最后惠更斯号探测器在土卫六表面着陆了。

当看到图像时,泰坦的世界出现了,这是个不可思议的世界,看起来又是如此的熟悉。

泰坦的表面有山脉和流入海洋的溪流。当然这些溪流流淌的不是水,而是甲烷。

这是一个寒冷、奇异的世界,地质特征看起来很熟悉。感觉就是另一个地球,只是温度低了大约170摄氏度。

泰坦世界的照片

泰坦就其地貌而言确实与地球一模一样,几乎四分之一的大地被沙丘覆盖。

但泰坦上的沙丘是由与地球上的沙丘完全不同的东西构成的。地球上的大多数沙子都是由石英组成的,但在泰坦沙丘上完全是由有机物组成的。

泰坦的沙子是由一种叫做碳氢化合物的有机粘性微粒组成的。这些有机沙丘包含了生命的基本组成部分,对科学家来说,这是一个诱人的暗示——泰坦能孕育生命吗?

在地球上,有生命存在于非常多的极端环境中。所以我们可以想象生命可能已经进化到可以利用泰坦上的甲烷和所有其他化学成分。

如果泰坦上出现了生命,那将会是非常奇怪的生物。它将与地球上的生命截然不同。

结束了泰坦之旅,“卡西尼号”的燃料也基本上用完了。科学家们决定孤注一掷,他们对探测器进行了编程,让它直接飞向土星。

随着“卡西尼号”飞入土星的大气层,当“卡西尼号”即将死亡时,它仍有一些仪器在继续工作。

当每一个仪器失效时,仍有一组设备在发回数据和信息。“卡西尼号”设计的初衷并不是要穿过土星的大气层,所以没人知道它会燃烧多久。

当“卡西尼号”飞进大气层时,科学家们可以监测大气层的数据。直到最后一刻,它还在发回科学资料。

当再也收不到“卡西尼号”的心跳数据时,科学家们知道任务结束了,它在土星大气层中蒸发了,已经成为土星的一部分。

“卡西尼号”已不复存在,但它的遗产永垂不朽。直到现在,科学家们还在研究着“卡西尼号”发回的科学数据。“卡西尼号”将被载入史册,成为人类有史以来科学成果最丰富的星际飞行任务之一。

每当我们抬头看土星时,就知道“卡西尼号”也在那里。

关键词: 科学探索 最美的行星 土星堪称微型太阳系

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