土星光环的质量及年龄

土星光环的质量及年龄

在对土星B环质量进行的一次测算中，科学家们发现B环的一部分区域质量低于预期。一个研究组发现B环中透明度最差的部分并未如预期的那样质量更大一些。甚至B环整体的质量也低于科学家们预期。尽管B环的一部分区域的物质密度要比临近的另一条光环A环的密度要大10倍，但其质量只比对方多了2—3倍。
据英国广播公司(BBC)网站报道，相关结果已经发表在近期出版的科研期刊《伊卡鲁斯》上。为了理解B环的质量问题，科学家们对所谓“螺旋密度波”进行了分析。这种波的结构模式直接受到光环质量大小的影响，因此对这种波的结构进行测量将让科学家们能够反推出光环的质量，就像给光环“称重”。
对土星光环结构的深入了解将有助于精确估算其形成时间。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的琳达·斯皮尔克(Linda Spilker)指出：“通过首次对土星B环进行精确称重，我们朝着准确判断土星光环的年龄和起源又迈出了坚实一步。”他说：“土星的光环是如此巨大，令人赞叹。它究竟是如何形成的？我们无法抑制想要知道这个问题答案的渴望。”
科学家着重研究了土星的B环。这是土星环中最亮，也是透明度最低的一道。
结果发现，虽然B环的透明度各处不同，但它们的物质浓度却并没有产生多大变化。他们首次对B环中心几乎不透明部分的质量进行了测量。从技术的角度说，他们是通过分析螺旋密度波，来测定多处的质量密度。这些结构精巧的土星环是在土星及其卫星引力的共同作用下形成的。环中波纹的结构，与该处质量浓度直接相关。
科学家还不知道透明度不同的物质为何拥有相同的质量。它可能与微粒的大小或稠密度有关，也有可能与环的结构有关。
这张切图展现了土星主环系统的部分结构。主要名称和特点已用文字标出。NASA
外表有时候会骗人。就好像雾蒙蒙的牧场肯定没有游泳池来得透明，但是游泳池的密度更高，也拥有更多的水。
对土星环质量的研究对于揭示它们的年龄也非常重要。质量低的环会比质量高的环演化速度更快，也会在陨石等影响下迅速变黑、变暗。因此，B环的质量越低，它就越年轻。其年龄可能只有几百万年，而不是通常以为的几十亿。
为B环的核心部分“称重”，是人们逐渐了解土星环年龄及其起源的重要一步。土星环是如此壮观，以致于人们总想问个明白，它究竟是从何而来的？
太阳系所有的巨行星都有环，但土星环与众不同。了解土星环为何如此明亮和巨大，是在了解它们形成和发展过程中所要面对的最重要挑战。对科学家而言，环中各部分的物质密度，是获知其形成过程的关键。
早前的研究显示，B环中所含的物质比科学家曾经以为的要少。新的分析则首次直接测出了环中的物质密度，进而证实了这一猜想。
土星B环的某些部分与相邻的A环相比，其不透明度要高出10倍，但B环的质量只是A环的2至3倍。NASA
这一分析采用了一种新的技术。卡西尼可见光和红外测绘光谱仪透过土星环，指向一颗位于其后方的恒星进行了数据采集。将多次观测结果合并后，就能将原本不明显的螺旋密度波展现出来。
分析结果还显示，B环的平均密度要低于预期。这是一个非常令人震惊的结果，因为B环的某些部分透明度要比相邻的A环低将近10倍，而B环的质量可能只有A环的2到3倍。
尽管B环的质量非常低，但它仍然占去了整个土星环系统质量的大部分。人们还将着手对环的质量总和进行更为精确的测量。卡西尼号探测器曾经对土星的引力场进行过探测，获得了土星及其环系统质量总和的数据。2017年，在卡西尼号使命的最后阶段，它将从土星环内部飞掠土星，对土星本身的质量进行单独测定。两次测量数据的差异，就是土星环的真实质量。