對(duì)于大部分普通公眾來(lái)說(shuō)，除了地球和火星，太陽(yáng)系中最熟悉的大行星恐怕就非土星莫屬了。這主要是因?yàn)樗鼡碛幸粋€(gè)美麗的光環(huán)系統(tǒng)，就像戴了一頂好看的大草帽。2004年以來(lái)，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器一直在圍繞土星的軌道上運(yùn)行，對(duì)其本體、衛(wèi)星以及光環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行迄今為止最為細(xì)致的考察。這些探測(cè)有助于科學(xué)家們解答一系列長(zhǎng)久以來(lái)有關(guān)這顆行星懸而未決的謎團(tuán)。

最近，沉默了很久的土星又來(lái)刷了一次我們的屏。近日，離開(kāi)地球快20年的美國(guó)“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)器成功在土星和土星環(huán)之間完成首次穿越，并傳回迄今最近的土星觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示，土星與土星環(huán)之間的區(qū)域是片“空無(wú)”。消息傳來(lái)，一方面人們?yōu)椤翱ㄎ髂帷痹谶@一地帶的首次成功穿越歡欣鼓舞，另一方面這讓本來(lái)就充滿(mǎn)“神秘范兒”的土星更添新的疑團(tuán)。

今年9月，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器將結(jié)束使命，進(jìn)行它的“自殺任務(wù)”——俯沖入土星內(nèi)環(huán)，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳回地球，隨后在土星大氣層分崩離析。這件事更讓航天愛(ài)好者們興奮又期待，“感覺(jué)離土星的秘密又要近一步了”。

土星與土星環(huán)之間區(qū)域是真空地帶？

“空無(wú)”原是高層大氣和低密度的塵埃

5月1日，美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室“卡西尼”項(xiàng)目主管厄爾·馬伊斯在一份聲明中說(shuō)，數(shù)據(jù)分析顯示，土星與土星環(huán)之間是一片“空無(wú)”。這“空無(wú)”到底是什么東西呢？

這個(gè)“空無(wú)”的區(qū)域并不是有些人理解的“完全的真空地帶”，而是存在一些低密度的塵埃狀的東西。國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)解釋說(shuō)，土星與土星環(huán)之間存在著稀薄的等離子體大氣，與行星際空間環(huán)境融合在一起。它們密度很低，且不容易反射光線(xiàn)。“卡西尼”號(hào)探測(cè)器在穿越這些空隙時(shí)，還檢測(cè)所碰到的微粒大小和環(huán)的厚度，以及估測(cè)光環(huán)的組成、溫度、密度和結(jié)構(gòu)。土星與土星環(huán)之間寬約2000公里的區(qū)域中是否含有塵埃一直是科學(xué)家們關(guān)注的話(huà)題，因?yàn)檫@不僅決定了“卡西尼”號(hào)探測(cè)器在未來(lái)的穿越中是否需要將碟狀主天線(xiàn)作為“盾牌”，還將影響探測(cè)器怎樣以及何時(shí)觀測(cè)土星。現(xiàn)在看來(lái)，塵埃確實(shí)存在，但塵埃水平比預(yù)期低很多。

土星的草帽光環(huán)是怎么來(lái)的？

各種天體殘骸碰撞分離堆積形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)

提到土星就不得不提到知名度極高的土星環(huán)。這一圈環(huán)繞土星的光環(huán)讓土星在望遠(yuǎn)鏡中看起來(lái)猶如一頂草帽，“帽沿”正是土星光環(huán)，又稱(chēng)土星環(huán)。光環(huán)的存在使土星成為太陽(yáng)系中較為奇特的一顆行星，也讓土星成為群星中最美麗的一顆。

土星環(huán)是什么？怎么來(lái)的？一直是大家關(guān)注的話(huà)題。

平勁松告訴記者，土星環(huán)的主要物質(zhì)是冰晶和塵埃。在太陽(yáng)系和土星形成的早期，天體之間會(huì)頻繁發(fā)生碰撞，碰撞產(chǎn)生了很多殘骸物質(zhì)，這些殘骸物質(zhì)再經(jīng)過(guò)不斷地碰撞和分離，最終堆積在一起形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這些撞碎后的塵埃和冰晶在軌道帶上成片分布，它們反射星光、太陽(yáng)光以及其他天體輻射的光最終形成了土星的神秘光環(huán)。

值得一提的是，土星環(huán)從遠(yuǎn)處看是一個(gè)柔和的、整體的光環(huán)，但是根據(jù)探測(cè)器近距離拍回的照片顯示，這個(gè)環(huán)并非整體，而是由許多小環(huán)組成。

更有趣的是，相比較土星的年齡而言，土星的環(huán)結(jié)構(gòu)還是非常年輕的。土星誕生至今大約有40多億年，而土星的環(huán)只有數(shù)億年的歷史。據(jù)“卡西尼”號(hào)探測(cè)器成像科學(xué)團(tuán)隊(duì)和圖像控制中心實(shí)驗(yàn)室主任卡羅琳說(shuō)，土星的環(huán)系統(tǒng)是在何時(shí)形成的，以及持續(xù)了多長(zhǎng)時(shí)間，這期間環(huán)結(jié)構(gòu)是否是連續(xù)存在的，是否有出現(xiàn)過(guò)斷檔期，這些問(wèn)題還處于探索之中。

地極六邊形漩渦如何形成的？

成因至今不明或許是溫差造成的

很早以前，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)在土星北極有一個(gè)極地漩渦，它看上去呈一個(gè)完整的六邊形，這在整個(gè)太陽(yáng)系都是獨(dú)一無(wú)二的，引起了大家濃厚的興趣。

這個(gè)六邊形旋渦形狀巨大，寬度可以容納4個(gè)地球的大小。最近幾年，天文學(xué)家通過(guò)觀察“卡西尼”號(hào)探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)及圖像，發(fā)現(xiàn)六邊形旋渦看起來(lái)很像地球上的颶風(fēng)，不過(guò)范圍明顯要大得多，大概是地球颶風(fēng)的20—40倍。

平勁松告訴科技日?qǐng)?bào)記者，六邊形旋渦自西向東高速旋轉(zhuǎn)，十分漂亮。其實(shí)在土星南極上空也同樣存在著一個(gè)大規(guī)模的漩渦系統(tǒng)，只是規(guī)模較小。

不過(guò)對(duì)于這個(gè)六邊形漩渦的成因，科學(xué)家們至今也沒(méi)有搞清楚。土星的北極被認(rèn)為可能是土星上最“溫暖”的地方，溫度高達(dá)零下122℃，而土星其他地方的溫度則是零下185℃。科學(xué)家猜測(cè)，這樣的溫差或許正是極地漩渦的成因。

土星巨型風(fēng)暴每30年肆虐一次？

由于探測(cè)間斷是否30年一循環(huán)尚未可知

土星上肆虐的巨型風(fēng)暴也是土星的一大謎團(tuán)。

在2010年底和2011年上半年這一時(shí)間段，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器第一次近距離觀測(cè)到土星大風(fēng)暴。這場(chǎng)席卷土星長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的特大風(fēng)暴成為土星觀測(cè)史上持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的天氣，在高峰時(shí)期，約有20億平方公里的云層。

科學(xué)家們認(rèn)為，相比較其他氣態(tài)行星，土星風(fēng)暴在體積上是非常巨大的。由于上一次人類(lèi)觀測(cè)到土星大風(fēng)暴已經(jīng)是30年前了，所以坊間一直有一個(gè)神秘傳聞——土星大風(fēng)暴大約在每30年左右出現(xiàn)一次周期循環(huán)，并且這暗示著大風(fēng)暴與土星的季節(jié)存在著某種聯(lián)系。

但是平勁松認(rèn)為這一說(shuō)法仍缺乏確鑿的科學(xué)依據(jù)，“現(xiàn)在確切的說(shuō)法是30年前，我們觀測(cè)到了類(lèi)似的大風(fēng)暴，但由于人類(lèi)對(duì)土星的探測(cè)中間有很長(zhǎng)時(shí)間是間斷的，所以這個(gè)大風(fēng)暴是不是一定是30年一個(gè)周期，目前還不能確定。”

這一巨型風(fēng)暴的起源和動(dòng)力源目前科學(xué)家還沒(méi)有找到，風(fēng)暴強(qiáng)大的能量從何處而來(lái)還有待進(jìn)一步的探索。

土星系統(tǒng)會(huì)不會(huì)有宜居環(huán)境？

科學(xué)家表示未來(lái)探索將聚焦生命

歷史上，人類(lèi)關(guān)于土星的探測(cè)并不是太多，而最近10多年來(lái)，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器的存在成為了關(guān)注土星的科學(xué)家們最興奮的事——一系列關(guān)于土星的最新發(fā)現(xiàn)都從它而來(lái)。

平勁松說(shuō)，“卡西尼”在土星系統(tǒng)飛了10多年，最近半年，探測(cè)器降低了軌道，穿越土星環(huán)，穿越得很有技巧，美麗而悲壯，才有了這次的新發(fā)現(xiàn)。今年9月，“卡西尼”將結(jié)束任務(wù)，屆時(shí)大家對(duì)土星的關(guān)注可能會(huì)達(dá)到新的高潮。他介紹，中國(guó)的科學(xué)家最近幾年也一直在跟蹤“卡西尼”號(hào)探測(cè)器的探測(cè)數(shù)據(jù)。“關(guān)于土星的事，人們知道得不少，只是關(guān)于大氣和空氣的一些狀況，還在進(jìn)一步探索研究當(dāng)中。”平勁松說(shuō)。

從現(xiàn)在的研究結(jié)果看來(lái)，土星上有冰、有水，會(huì)不會(huì)有生命家園呢？這是科學(xué)家們未來(lái)研究的關(guān)鍵方向。下一步，以美國(guó)為主的國(guó)家和機(jī)構(gòu)將主要針對(duì)土星的衛(wèi)星上是否存在適宜居住的環(huán)境，是否存在高級(jí)有機(jī)分子或是微生物等方向進(jìn)行探測(cè)和研究。平勁松說(shuō)，他和同行們還特別關(guān)注一點(diǎn)，那就是有沒(méi)有可能把地球上一些能在極端環(huán)境下生存的微生物移居到土星上，這個(gè)研究結(jié)果實(shí)在讓人期待。

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土星的一天到底有多長(zhǎng)？10個(gè)半小時(shí)

如何衡量土星的一天，或者說(shuō)如何確定氣態(tài)行星上的一天到底有多長(zhǎng)，是一個(gè)棘手的問(wèn)題，這不像巖質(zhì)行星上有著明顯的標(biāo)志性的地形進(jìn)行區(qū)分確定，如果通過(guò)氣態(tài)行星上的云層標(biāo)志確定自轉(zhuǎn)周期也存在著代表不充分的問(wèn)題。

對(duì)此，科學(xué)家采用了一種方法，通過(guò)測(cè)量行星上自然發(fā)射的電波信號(hào)進(jìn)行確定，這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于測(cè)量木星的自轉(zhuǎn)周期。在2004年，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器通過(guò)這個(gè)方法測(cè)量了土星上的一天，大約比現(xiàn)有的數(shù)據(jù)多了6分鐘。

然而，后續(xù)研究表明，這種方法對(duì)土星來(lái)說(shuō)還存在問(wèn)題，土星電波信號(hào)由其磁場(chǎng)產(chǎn)生，而土星磁場(chǎng)與自轉(zhuǎn)存在不同步的問(wèn)題，所以通過(guò)測(cè)量不同步的磁場(chǎng)信號(hào)判斷土星的自轉(zhuǎn)是存在問(wèn)題的。

因此，科學(xué)家對(duì)此不得不進(jìn)行數(shù)據(jù)平均，也就是通過(guò)平均“先鋒”號(hào)探測(cè)器、“旅行者”號(hào)探測(cè)器以及“卡西尼”號(hào)探測(cè)器所測(cè)量的結(jié)果，從而得出“最佳”數(shù)據(jù)——土星的一天大約是地球上的10小時(shí)32分35秒。 （記者 李艷）

[責(zé)任編輯：楊凡、劉向陽(yáng)]

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