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“卡西尼”号揭示了关于土星环的更多细节

  一幅伪彩色图像拼接图显示了嵌于土星环缝隙中的土星卫星之一:土卫三十五(Daphnis),以及它在基勒环缝(Keeler gap)边缘激起的波浪。2017年卡西尼号(Cassini)近轨道所收集到的图像为我们提供了了解土星环复杂运行机制的新视角。

  最新分析显示,NASA的卡西尼号在执行任务最后一年期间接近土星时,提供了关于结构复杂的土星环错综复杂的运行机制的一些细节。

  尽管卡西尼号土星探测任务已于2017年结束,但从其收集的数据中在不断涌现新的科学发现。6月13日发表在《科学》(Science)杂志上的一篇新论文描述了卡西尼号上的四个科学仪器对土星主环进行的有史以来最近距离的观测结果。

  观测结果包括由嵌在土星环内的物质质量雕刻出的精细特征。其多样的纹理和图案,从块状到稻草状,从图像中突出出来,引发了关于是什么样的交互作用塑造了这些纹理和图案的疑问。新的光谱图也揭示了土星环间的颜色、化学成分和温度是如何变化的。

  就像在原行星物质盘内中构造的行星一样,嵌在土星环中的小卫星(按照发现顺序,从A到G为其命名)与它们周围的粒子相互作用。通过这种方式,该论文进一步证明了土星环是认识天体物理盘过程的一扇窗口,正是这些过程塑造了我们的太阳系。

  这些观测结果也加深了科学家对复杂土星系统的理解。科学家们得出的结论是,在主环的外缘,F环中一系列类似的由冲击产生的条纹具有相同的长度和方向,表明它们很可能是由一群外来冲击源同时撞击土星环造成的。这表明土星环是由环绕土星自身的物质流形成的,而不是由围绕太阳运行的彗星碎片撞击土星环形成的。

  该论文第一作者,同时也是美国加州山景城搜寻地外文明研究所(SETI Institute)的科学家马特•提斯凯尔诺(Matt Tiscareno)表示:“这些关于卫星是如何以各种方式雕刻土星环的新细节为研究太阳系形成提供了一个窗口,太阳系圆盘也同样在嵌入其中的物质质量的影响下不断发展演化。”

  与此同时,随着最新的研究,出现了新的谜题,而旧的谜团也随之加深。近距离的土星环图像聚焦了三种不同的纹理 - 块状、平滑状的和条纹状,并清楚地表明这些纹理出现在边界清晰的带状区域。但这是为什么呢?在许多地方,这些条带与科学家们迄今发现的任何土星环特征都没有关联。

  Tiscareno说:“这告诉我们,土星环的外观不仅取决于物质的多少。这些粒子的特性肯定有所不同,这些特性可能会影响到两个土星环粒子碰撞和反弹时的情况。而我们目前还不知道具体情况。”

  这张伪彩色图像显示了Cassini号搭载的光学和红外绘图光谱仪(VIMS)捕捉到的土星A、B和C环的红外光谱图。

  用于分析的数据是在“掠环轨道”(Ring-Grazing Orbits)(2016年12月至2017年4月)和“壮丽终章”(Grand Finale)(2017年4月至9月)期间收集的,当时Cassini号刚好飞越土星云层上方。由于航天器燃料耗尽,任务团队于2017年9月故意将其投入土星大气层。

  Cassini号搭载的光学和红外绘图光谱仪(VIMS)揭开了另一个谜团。光谱仪在可见光和近红外光下对光环进行成像,在A环最外层发现了异常微弱的水冰带。这让人出乎意料,因为该地区是具有高度反射性,这通常是冰污染较少的迹象,因此水冰带应较强。

  新的光谱图也揭示了土星环的组成。虽然科学家已经知道水冰是其主要成分,但光谱图排除了可检测到的氨冰和甲烷冰作为成分的可能性。考虑到Cassini号发现的有机物质从D环流入土星大气层,但光谱图并没有发现有机化合物,这也是没有意想到的。

  位于美国纽约州伊萨卡的康奈尔大学的Cassini VIMS科学家菲尔•尼克尔森(hil Nicholson)表示:“如果有机物质大量存在 - 至少在主要的A、B和C环中,我们应该会看到它们。我还不相信它们是土星主环的主要组成部分。”

  NASA艾姆斯研究中心的杰夫•库兹(Jeff Cuzzi)表示:“这项研究标志着Cassini科学研究的下一个时代的开始。”Cuzzi自上世纪70年代以来一直在研究土星环,是Cassini号任务中研究土星环的跨学科科学家。

  Cuzzi说:“我们看到了更多,观测距离也更近了,同时我们也得到了新的更有趣的谜题。我们刚刚进入下一个阶段,即建立新的、详细的土星环演化模型,包括Cassini号数据显示的新发现,表明土星环比土星年轻得多。”

  位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室(JPL)的Cassini号项目科学家琳达•斯皮尔克(Linda Spilker)表示:“新的观测结果让科学家们对土星环有了比以前更为深入的了解,每一次观测都显示了其新的复杂性。

  Spilker说:“这就像把我们在土星环中所看到的再提高一个档次。每个人都对正在发生的事情有了更加清晰的认识。观测仪器额外的分辨率解决了许多问题,但仍存在许多令人着迷的问题。”

  “卡西尼-惠更斯”计划(Cassini-Huygens mission)是NASA、欧洲航天局(ESA)和意大利航天局的合作项目。喷气推进实验室(JPL)是美国加州理工学院帕萨迪纳分校的一个部门,负责管理NASA华盛顿科学任务理事会的任务。JPL设计、开发并组装了Cassini号轨道飞行器。雷达仪器由JPL、意大利航天局与来自美国和几个欧洲国家的团队成员共同建造。

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