摘自[中国天文科普网]
[ 录入者:Melipal | 时间:2019-01-19 21:38:26 | 作者:Melipal 译 | 来源:NASA|
原文标题：NASA Research Reveals Saturn is Losing Its Rings at “Worst-Case-Scenario” Rate
作者：Bill Steigerwald / Nancy Jones 原文来自：NASA
编译：Melipal 审校：Linq
NASA一项新的研究证实，土星那标志性光环的损失速率相当于数十年前旅行者1号和2号测得的最高损失率。在引力的作用和土星磁场的影响下，光环作为富尘冰态颗粒雨被拉向土星。
来自马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）NASA戈达德太空飞行中心的詹姆斯·奥多诺霍（James O’Donoghue）说：“我们估计，这样的‘光环雨’每半小时就能让土星的光环消耗掉能够填满一个奥运游泳池的水分。单凭这一点，整个光环系统在3亿年内就能消失。而除此之外，卡西尼号探测器还测量到了落向土星赤道区域的光环物质，这样光环就只能存在不到1亿年了。与土星超过40亿年的历史相比，这样的时间相对是很短的。”奥多诺霍是12月17日发表在《伊卡鲁斯》杂志上一篇有关土星光环雨的研究论文的第一作者。
这张照片是在卡西尼号探测器2016年4月25日扫过土星及其光环系统时拍摄的。卡西尼拍下的是覆盖整个视场的红、绿、蓝光三组图像，展示了行星及其主要的光环。照片是使用卡西尼号的宽视场照相机从距离土星大约190万英里（300万英里），位于光环平面上方30度的地方拍摄的。说明文字请点击（图片提供：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）
长期以来，科学家都在考虑，土星究竟是与光环一起形成的，还是说光环是在土星形成后出现的。新的研究认为光环的寿命不太可能长于1亿年，因此后一种理论更可能是正确的。假设土星的C环开始时与B环密度一样高，它花上1亿年就可以变成如今的样子。奥多诺霍说：“我们很幸运地处在了合适的时间，可以看到土星看上去正处中年的光环系统。”奥多诺霍又补充道：“不过如果光环是临时的结构，也许我们刚刚错过了木星、天王星和海王星的巨型光环，这几颗行星现在只剩下稀薄的小环了！”
人们提出了很多理论来解释光环的起源。如果行星是在形成之后才获得光环的，那么光环可能是在环绕土星运行的小型冰态彗星彼此碰撞期间形成的，碰撞的成因则可能是卫星轨道受到了路过的小行星或彗星的引力扰动。
艺术家笔下数百万年后土星面貌的想象图。最内层的光环首先会落向行星并消失，随后外层光环也会缓慢地发生类似过程。（图片提供：NASA/Cassini/James O'Donoghue）
光环雨存在的最早线索来自旅行者号探测器对一些看似无关现象的观测：土星高层带电大气（电离层）中的特殊变化、土星光环中的密度变化，以及环绕着行星北半球中纬度区域的3道狭窄暗带。这些暗带出现在NASA的旅行者2号探测器1981年拍摄的土星多霾高层大气（平流层）图像中。
1986年，NASA戈达德中心的杰克·康纳尼（Jack Connerney）在《地球物理学研究通报》杂志上发表了一篇论文，将这些狭窄的暗带与土星庞大的磁场形态联系了起来，提出土星光环中带电的冰态颗粒正沿着不可见的磁力线下流，向土星高层大气中磁力线的发源地倾泄水分。光环中水分的下落出现在某些特定的纬度上，被平流层雾霾冲走，在反射光下看起来颜色偏暗，由此就形成了旅行者号图像中的狭窄暗带。
土星光环主要由水冰块组成，块体的大小从微观的尘粒级别到宽度数码（数米）的砾石尺寸不等。光环颗粒在土星的引力作用（将颗粒拉向行星）与轨道速度（让它们向外逃逸到太空中）之间保持着平衡。微小的颗粒可以经过太阳的紫外线照射或微流星体对光环的轰击产生的等离子体云作用而带电。当这样的过程发生后，颗粒可以感知到土星磁场的作用。在土星光环区域，磁力线向行星一侧内弯。在光环的某些区域，颗粒一旦带电，微小粒子的受力平衡状况会发生剧变，土星的引力会沿磁力线将颗粒拉向自身的高层大气中。
当冰态光环颗粒抵达土星后，就会蒸发殆尽，而水分可以同土星的电离层发生化学反应。这些反应的一大结果就是H3+带电离子的寿命有所延长。这种离子由3个质子和2个电子组成，当获得了阳光的能量后，可以发出红外辐射，而奥多诺霍的小组使用夏威夷莫纳克亚（Mauna Kea）山的凯克望远镜装备的特殊仪器观测到了这种信号。
他们的观测揭示出了土星南北半球发光的条带，与光环相交的磁力线在这里汇入行星。他们分析了接收到的光线，确定了光环雨的数量及其对土星电离层的影响。他们还发现，光环雨的数量同30多年前康纳尼及其同事推测出的极高数值吻合得相当好，其中南半球的一个区域承接了数量最多的下落物质。
小组还在南半球纬度较高的区域发现了一道发光的条带。这里是土星磁场与土卫二轨道相交的地方。土卫二是一颗地质活跃的卫星，向太空中喷涌着水冰间歇泉，这说明部分这样的粒子也落向了土星。康纳尼说：“这并不算全然的惊人之处。我们还根据旅行者号的那张老照片中的另一条暗带辨认出，土卫二与E环都是充足的水源。”这些间歇泉最早是由卡西尼号的仪器在2005年发现的，据信源于这颗小型卫星冰封地表之下的液态水海洋。土卫二的地质活跃程度以及水冰的存在使得它成为寻找地外生命的最有希望地点之一。
在NASA的卡西尼号探测器于2009年11月1日拍摄的这张照片中，土卫二漂浮在光环与小小的土卫十七前方。整个画面是逆太阳光拍摄的，这为组成光环以及土卫二（直径314英里，合505千米）南极喷流的冰态颗粒提供了绝佳的照明。土卫十七宽约52英里（84千米），拍摄时从卡西尼号以及土卫二的视角看去位于光环对面。图中还拍下了土卫十七的夜半球，这里被土星反射暗淡金光照亮。说明文字请点击（图片提供：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）
小组希望能够了解光环雨随土星季节的变化。当这颗行星在其29.4年周期的轨道上运行时，光环以不同的角度暴露在阳光下。由于阳光中的紫外线会让冰质颗粒带电，并让它们对土星磁场有所反应，不同的阳光照射情况应该会改变光环雨的强度。
这项研究由NASA与戈达德中心由联合大学空间研究组织管理的NASA博士后项目赞助。W·M·凯克天文台是加州理工学院、加州大学和NASA的科学合作项目，其文件形式的数据可以从凯克档案馆获取。
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