土星环中的行星历史

原创：牧夫天文

文章来源：AAS Nova

编译：艾宇熙

校对：牧夫天文校对组

编排：葛明红

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

图注：“卡西尼”号探测器拍摄的土星环

图源：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

变化中的行星

图注：“卡西尼”号探测器拍摄的土星环近距离照片呈现出由螺旋密度波造成的明暗交错条带。

图源：NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

在“卡西尼”号土星探测器环绕土星运动的时候，它透过土星环观测了遥远的恒星。颤动的星光表明，光穿过的介质也就是土星环中存在密度波，也就是说，土星环中密度高和密度低的部分交错排列。密度波的存在不仅提供了关于土星环本身的信息，还告诉我们，土星表面也存在运动。

加拿大多伦多大学的武延庆教授和美国西北大学的Yoram

Lithwick结合观测与理论，研究了土星表面的振动。他们发现，土星表面的振动最有可能是小天体的撞击导致的，相比之下，土星表面对流和风暴则没有那么关键。每次有小天体撞击土星，土星就像铃铛被敲响一样产生波，而波的强度和特征取决于撞击的规模、次数、时间和衰减速度。

像铃铛一样被敲响

图注：左图中的每个点都代表“卡西尼”号观测到的一种振动模式的能量。黑色方块为观测值，彩色圆圈为理论值。在高能量的区间内，理论和观测值吻合得比较好，而在低能量区间内则量级差距较大。右图显示了研究者们提出额外假设后新的理论模型与观测值更为匹配。

当土星环中的密度波扩散开来从而带走了撞击的能量后，土星表面的振动就停止了。这一过程可能持续长达两千万年之久。在考察了历史上土星受到撞击的概率和规模后，研究者发现，除了几种特定的振动模式，很多远古撞击导致的密度波残余仍然可以在现代的观测中被检测到。

研究者们还提出，土星在最近四万年内可能受到过一次百万年一遇的撞击——“幸运”撞击；在这个前提下，观测数据和理论数据得到了更好的匹配。另外的可能是，有些振动模式衰减得更快，而在不同振动模式之间还可能发生能量的转移。

土星之外的历史

我们能否将研究土星表面振动的方法拓展到对其他行星历史的研究中呢？比方说，木星并没有像土星一样广阔的光环结构，因此小天体撞击所产生的振动消减得更慢，或许在数十亿年后还能检测到——由此，研究者们认为十亿年前，木星就曾受到过一颗直径150千米的天体的撞击。那次撞击造成了木星重力场的变化和表面速度的改变，而通过研究木星的卫星朱诺等方法，就可以检测到这种改变。

随着进一步研究的开展，我们或许可以读出更多土星和木星过去受到撞击的事件。

『天文时刻』 牧夫出品

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都灵上空的月华

影像来源: Giorgia Hofer (Cortina Astronomical Association)