中科白癜风恢复美丽黄皮肤 http://nb.ifeng.com/a/20180523/6600898_0.shtml通过观察土星环上的波纹，科学家们得以测量出这颗行星内核的大小和形状——它比我们原以为的都要大得多，也奇怪得多。图片：NASA,JPL
撰文：NadiaDrake
出人意料的是，土星的内核是一个巨大的冰、岩石和气体混合物。科学家们万分惊讶的同时，正在试图弄清楚这颗行星是如何形成、演化成了我们今天所见的神秘世界。
隐藏在太阳系的丰饶之神内部的是一个意想不到的恩赐：土星庞大的内核，其宽度占了整颗星球宽度的60%。通过土星星环上的微妙涟漪最新测量出的内核，看样子是由冰、岩石和气体混合组成的糊状物质，边界模糊。
“它是巨大的。”加州理工大学的ChrisMankovich说，他是发表在《自然-天文学》杂志上一项土星内核新研究的作者之一，“这个发现完全在我们意料之外。”
土星巨大内核的特征让科学家们开始重新思考这颗带环的行星是如何形成的，以及它如何产生奇怪的均匀磁场。“这确实比我们原本以为的要复杂得多。”约翰霍普金斯大学的SabineStanley（未参与该项新研究）说。
土星的内核质量大约是地球的17倍，里面充满了氢、氦、冰和岩石的混合物。插图：ROBERTHURT,CALTECH
为了仔细检查土星的内部结构，科学家们将目光转向了土星环。星环就像地震仪一样，记录着这颗气态巨行星的内部震荡和脉动。通过解码土星环上的细微波纹，研究小组确认出土星的内核包裹着相当于17个地球质量的物质，而且与预期有所不同的是，它不是单独分离的、致密的一块岩石和铁。
“要了解行星最深处的部分，尤其是巨行星，真的很难。”Stanley说。“我们所能获得的任何新信息都会推进此前的认识。”
现在科学家们必须弄清楚像土星这样的巨型行星为何会有如此巨大而混沌的星球内核。更棘手的是，土星内核的新发现，很难解释这颗行星是如何驱动其神秘磁场的。
Mankovich说：“要解释土星磁场的观测结果尤为棘手，土星磁场相当奇怪，背后的原因也错综复杂，关于行星内部结构的图样还勾勒得不标准。”
通往土星内部的入口
土星最有名的要数其闪烁的光环了。它围绕着土星运行，从远处看起来是固态的。实际上，这些星环是由不计其数的冰块组成的——有些像房子一样大，有些比鹅卵石还小——通过与行星及其卫星的引力相互作用来推动、牵引和被打磨。一些卫星在星环中割出缝隙，而另一些卫星则起到修剪星环边缘的作用，使其看起来很规整。
星环同样也记录了土星的内部活动。通常，科学家利用行星引力场的波动来观察其表面之下——但这种技术无法穿透像土星这样的气态巨行星的深层内部。不过，星环确实提供了一扇了解行星深处心脏的窗口。
在90年代初，行星科学家MarkMarley推测，土星内部的活动可以在土星C环内引起可观测的涟漪，C环是宽广而昏暗，环藏在土星附近。当土星的心脏跳动内脏震荡时，星球就会产生脉冲。这些振荡与星环上的粒子相互作用并形成所谓的螺旋密度波，或者说C环内的涟漪。
Mankovich说，所有这些猜想“结果都是%正确的”。但要证实这些预测，还需要20多年的时间和花费数十亿美元的太空任务。
年，科学家们研究了年至年围绕土星运行的美国宇航局卡西尼号航天器的数据，读取了土星环上的第一批地震信号，并利用这些信号观察土星内部。该团队创造了“kronoseismology”一词来描述这一新的研究领域，他们将观测到的大部分涟漪与行星内部的运动联系了起来。年，科学家们通过kronoseismology，确定了土星每10小时33分钟自转一次。
“研究这一领域不耐烦是不行的，”现在在亚利桑那大学担任这项新研究的评审员的Marley笑着说，“事实证明，这些波纹真的存在，大约有二十多个波的位置我们都预测得八九不离十。”
但至少还有一个神秘的波是Marley没有预料到的——就是同样来自加州理工大学的Mankovich和JimFuller用来直接观测土星内核的星环波纹。
“对于这个额外的波纹，和其它的波纹放在一起，只有一个令人信服的解释，那就是土星拥有模糊、渐变的内核。”Marley说，“这种特殊的环波对土星深处的环境非常敏感。”
土星的巨大心脏
Mankovich和Fuller利用环纹发现土星几乎全是内核，其核心占据了该行星的大部分。与预期相反，土星的核心是氢、氦、冰和岩石的散漫、浓稠的混合物，而不是坚硬实心的铁石。如果你把土星切成两半，不会看到像洋葱、大块硬糖或者地球内部那样一层一层的构造，相反，内核边界很模糊，你越往深处潜，物质就越稠密。
在土星核心的极端温度和压力下，气体更像是金属流体而不是一团气体，整个组合是一种难以在地球实验室中复制的奇异材料的混合物。Mankovich说，当他和Fuller看到他们的土星照片有多么奇怪时，便试图为土星环的地震特征找到另一种解释。
“我们尽可能地尝试推翻它。”他说，但是新研究中土星核心的图片“似乎确实符合数据要求。”
尽管出乎意料，但土星核心模型与科学家从土星收集的大量重力数据非常吻合。它还与美国宇航局朱诺号木星探测器的发现相呼应，这表明木星的核心可能也是与其类似的弥漫型混合物。
然而，木星没有一个厚厚的环形系统来记录它的内部碰撞。“我们需要炸掉木星的一个小卫星，”Marley开玩笑说，来制造一个可以记录木星心脏脉搏的星环。
许多谜团有待解开
大型气态天体的经典起源都是从小块物质聚集在一起开始，变得越来越大，直到原行星的引力吸进了附近所有的气体。但目前还不清楚这相同的过程能否形成一个像Mankovich和Fuller观察到的那样的核心。
土星的内核有可能在其存在的45亿年中发生了进化和变化，有可能慢慢溶解成液态金属氢，或者在其他未知过程中发生了改变，“只是我们还不知道罢了。”Mankovic说。
另一个令人惊讶的是，Mankovich和Fuller推断出土星内核不是对流的，这意味着它不会像预期的那样传递热量，这一观察结果可能解释了为什么土星在红外波段异常明亮。“木星45亿年后的亮度也会和预测的差不多，但土星太亮了。”Marley说。“因为这个（内核）不肯对流，所以它减慢了冷却速度，并且比它本该的样子的更亮。”
但内核的非对流特点对理解行星磁场提出了重大挑战。通常，行星磁场由内部发电机产生——发电机是行星核心深处的可对流的旋转分层的导电流体。但根据这项新研究，这在土星内部是不可能的，毕竟这颗行星60%的部分是不对流的。科学家们现在想弄清是否有一层薄薄的液态金属氢在核心内部搅动，或者就在核外搅动。
但即使是以上想法也难以解释土星奇怪的对称磁场，它不同于地球和木星倾斜、不规则的磁场。一种可能性是，在磁场线到达行星表面之前，一层氦雨已经使其变得平滑，但是对于巨大的内核如何影响这一过程，仍然没有很好的解释。
“通过磁场真的很难做到这一点，而你不可能用真的发电机实现这个现象，然而我们的太空里却有一个巨大的行星能办到。”Stanley说，他正在与Mankovich和Fuller合作解开这一磁场之谜，“科学的有趣之处正在于此。”
要回答这些土星问题，需要仔细研究卡西尼号探测器收集的大量信息，使用超级计算机对行星内部进行详细模拟，并在地球上用望远镜进行实验。在未来，科学家们还可以使用这些方法来仔细检查天王星和海王星等其他行星的星环，把它们冰冷颗粒上可能记录下的任何秘密一一揭晓。
“关于这些星环还有很多谜团，”Marley说，“所以我们想看看别的星球会不会也有同样的现象。”
（译者：静静子）
