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為什么神秘的土星環在不斷變化?

時間:2020-02-06 22:30:29 來源:本站 閱讀:4030477次

許多人幻想著如果他們擁有時光機,會選擇回到恐龍漫游地球的一億年前,然而,卻很少有人會想到,像這樣帶上望遠鏡去觀察土星和土星環。

天文學家是否能夠觀測到土星環仍然存在著爭議。這些環是以某種形式存在于46億年前太陽系形成之初,還是最近才出現的呢?或是在奇克蘇魯布小行星撞擊導致恐龍滅絕的年代,這些土星環是否已經形成了呢?

我是一名空間科學家,熱愛教授物理和天文學,土星環一直讓我著迷,因為它們,人類從混沌中睜開了雙眼,驚嘆于宇宙和太陽系的奇跡。

關于土星演化的觀點

1610年,當伽利略透過望遠鏡第一次觀察到土星時,他已經因為發現了四顆木星衛星而名聲大噪了。然而這顆行星卻讓他困惑不解。他通過望遠鏡持續觀察著這顆行星。起初他認為這是一顆行星,擁有兩個非常大的衛星,后來他又認為這是一顆沒有衛星的行星。在1616年,伽利略通過新的望遠鏡進行觀察,認為這是一顆擁有著“手臂”或者“手柄”的行星。

四十年后,克里斯蒂安·惠更斯首次提出了土星是一顆環狀行星的說法,而伽利略看到的則是不同視角下的土星。因為土星的自轉軸相對于其軌道平面的傾斜角度為27度,其公轉周期為29個地球年,隨著它的公轉,土星環時而靠近地球時而遠離地球,所以人們在不同視角下會看到不同形狀的土星環。

那么土星環是由什么組成的呢?它是否是某些人認為的固態連續實體盤,還是由一些更小的粒子組成的呢?隨著土星環中的結構越來越明顯、人們發現了越來越多的縫隙以及土星運動的規律逐漸被了解,天文學家們意識到這些環并不是所謂的固態連續實體盤,而可能是由大量的小行星組成的。與此同時,人們對土星環厚度的估計, 從1789年威廉·赫歇爾爵士估測的300英里到1966年奧杜因·多爾夫斯的不到兩英里。

旅行者2號 土星的B環和C環在假色的圖像下可以看到許多小環

卡西尼號承擔著探索土星的任務,環繞著土星飛行了十多年,行星科學家們由此看到了更壯觀、令人嘆為觀止的景色。土星環厚10米至1000米。在土星環粒子的組成中,冰占總質量的99.8%,其中大部分小于1米,約為16萬億噸,不到地球衛星質量的0.02%,甚至不到土星的衛星米瑪斯質量的一半。由此一些科學家推測,這些環是眾多土衛其中一顆分裂的結果,還是流浪的彗星。

動態環

自望遠鏡發明的400年以來,科學家們在木星、天王星和海王星的周圍也發現了環。海王星是太陽系的巨型行星。1849年,法國天文學家Eduard Roche(愛德華·羅奇)首次提出了巨型行星存在光環而地球及其他類地行星沒有光環的原因。

衛星和行星總是在引力下共舞。月亮通過天體引力吸引地球的反面而引起了海洋潮汐,而潮汐力也會影響到行星和衛星。如果衛星離行星過近,這些力量可以克服將衛星凝聚在一起的“引力膠水”,并將其撕開。這會導致衛星分裂并沿著其原始軌道擴散,形成一個環。

洛希極限是衛星軌道的最低安全距離,大約是行星中心半徑的2.5倍。對于巨大的土星來說,這是距離其云頂87000公里,與土星外F環相一致的位置。對于地球來說,這是距離地球表面不到10000公里的位置。而小行星或彗星必須冒險,非常接近地球,才能被潮汐力撕裂從而形成圍繞地球的環。地球的衛星在距地球38萬公里之外,非常安全。

美國宇航局的卡西尼號太空船將在土星及其最深處的環之間進行潛入,這是這次飛行任務的一部分。

行星環的稀薄是由它們不斷變化的性質造成的。其軌道相對于環其余部分傾斜的環粒子最終將與其它環粒子碰撞,這么做,它們將失去能量,附著在環的平面上。數百萬年來,這些粒子要么脫落,要么與其它粒子緊密排列形成了如今人們所觀察到的十分薄的土星環系統。

在執行任務的最后一年,卡西尼號飛船反復潛入土星云和內環之間7000千米的縫隙中。這些前所未有的觀察結果明確了一個事實:環是不斷變化的。環中的單個粒子不斷相互推擠,并在土星上穩定地降落。

牧羊衛星:潘、達普尼斯、阿特拉斯、潘多拉和普羅米修斯測量范圍在8到130千米之間,相當實際地引導了環粒子,使它們保持在當前的軌道上。密度波,由牧羊衛星在環內的運動引起,推擠和重塑著土星環。小衛星是由凝聚在一起的環狀粒子形成的。所有的這些表明環是暫時的。每秒鐘有多達40噸的冰從土星環下落到大氣中。這意味著這些環可能指持續幾千萬到數億年。

一個進行時空旅行的天文學家能在一億年前見過土星環嗎?估計土星環年齡的一個指標是環上的灰塵。因為物體長時間暴露在太陽系的塵埃下,會積越來越多的灰和慢慢變暗。

土星環十分明亮,幾乎沒有塵埃,似乎表明它們形成于1000萬到1億年前的任何地方,前提是天文學家對冰粒如何聚集塵埃的認識是正確的。而有一件事是可以肯定的,我們的時空宇航員看到的土星環和今天的大不相同。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Vahe Peroomian-白菜

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