卡西尼VIMS捕捉到的土星A、B和C环的红外光谱图。图片来源：NASA

木星和土星云层下数千公里处的物质微妙地牵引着绕轨运行的航天器。图片来源：NASA

美国卡西尼土星探测器在近土星环绕旅程的最后一年，为人们拍摄下了土星复杂光环运行的复杂细节。

尽管2017年卡西尼陨落，但科学家仍从其收集的大量数据中不断获得新发现。近日，发表在《科学》上的论文描述了卡西尼4架探测器对土星环进行的有史以来最接近的观测结果。

结果中包括土星环的细节、纹理和图案等，这有助于了解是什么样的相互作用促成了土星环的形成。新公布的图片显示了土星环的颜色、化学构成和温度如何发生变化。

“有关卫星是如何以各种方式‘雕刻’土星环的新细节，为人们了解太阳系形成打开了新窗口。”该论文通讯作者、美国加州山景城地外文明搜寻研究所卡西尼项目科学家Matt Tiscareno说。

“这些结果来自卡西尼号任务的掠环轨道和最后的观测，揭示了土星环和相关卫星的详细结构。它们有力地表明，土星环比土星本身年轻得多，并为土星环和卫星的起源提供了重要线索。”未参与该研究的日本东京理工大学地球生命科学研究所的Shigeru Ida告诉《中国科学报》，“不得不说，卡西尼是一项伟大的长期任务。”

神秘的土星环

主要由水冰小颗粒组成的土星环是太阳系颇为壮观的景色，而与形成于45亿年前的土星相比，土星环的历史相对短暂。科学家预测，它形成于约1亿年至1000万年前。当时的地球正处于恐龙时代。

但一直以来，科学界对土星环的年龄有截然不同的观点。有观点认为，在45亿年前土星诞生后不久，太阳系内的冰残骸就形成了土星环。另有观点认为，土星环形成得很晚，它来自土星引力捕获的一颗彗星或是柯伊伯带小天体，逐渐演变为环绕土星的颗粒带。

“天文学家和行星科学家需要观测证据证明理论模型。由于土星距离我们十分遥远，要获得土星环和卫星的观测证据需要时间。即使在宇宙飞船到达土星后，也需要时间使用许多不同的仪器详细探测。”Ida说，于是，科学家从更简单的观察开始，试图测量越来越困难，但却更重要的结果。

正如Ida所言，随着研究深入，新谜题出现了，旧谜题加深了。本次近距离观测图片显示，土星环有3种纹理质地，分别是块状、光滑状和条纹状，不同纹理之间有清晰边界。但是，这些特征究竟如何形成，仍是不解之谜。

Tiscareno说：“这告诉我们，土星环的外观不仅取决于物质的多少，还涉及这些物质的特性，它们之间的差异可能会影响到彼此碰撞和反弹时的情况。我们还不知道这是什么。”

无论如何，卡西尼传回地球的数据，或许能成为指引人们穿越土星环“迷雾”的领航灯。

穿越“迷雾”

新研究数据是卡西尼于2016年12月至2017年4月在土星“掠环轨道”以及2017年4月至9月其任务“压轴”前飞越土星云顶时搜集的。2017年9月15日，卡西尼燃料用尽坠入土星大气层，为长达13年的土星探测画上了句号。

就像一个由原始行星物质组成的星盘中正在建造一颗行星，嵌在土星环（按发现顺序从A到G排名）中的小卫星与它们周围的物质相互作用，而土星环则延伸到土星以外辽阔的空间。

此次，卡西尼的可见光和红外测绘光谱仪（VIMS）揭开了一直困扰人们的谜团。VIMS能在可见光和近红外光下对土星环进行成像，并在土星环A的最外层发现了异常微弱的水冰带。研究人员表示，这是一个惊喜，因为该地区是众所周知的高反射区，这通常是存在污染较少的冰的迹象。

而且，新的光谱图也揭示了土星环的组成。虽然科学家已经知道水冰是其主要成分，但新研究发现，土星环成分中不含氨冰、甲烷冰，也没有发现有机化合物。“这也令人惊讶，卡西尼曾发现有机物质从D环流入土星的大气层。”Tiscareno说。

科学家还发现，在土星环外缘的F环上，一系列类似冲击产生的条纹具有相同的长度和方向，表明它们可能是由相同时间与土星环发生的一组撞击形成。土星环的形状是由围绕土星运行的物质流打造而成，而非撞入环中的彗星碎片形成。

美国康奈尔大学卡西尼VIMS科学家Phil Nicholson说：“如果有机物质大量存在——至少在主要的A、B和C环中——我们就会看到它们。我还不相信它们是土星环的关键组成部分。”

迎接新时代

美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心的Jeff Cuzzi说，这项研究标志着卡西尼科学下一个时代的开始。Cuzzi自上世纪70年代以来一直在研究土星环，是卡西尼任务中研究土星环的跨学科科学家。

Cuzzi说：“我们获得了更多的信息，离土星环更近了，也解开了新的、更有趣的谜题。我们已经进入下一个阶段，即建立新的、详细的土星环演化模型，包括卡西尼号数据新揭示的土星环比土星年轻得多。”

今年1月，研究人员利用NASA “深空网络”测量了卡西尼的飞行速度，再根据引力对飞行路径的影响算出土星环质量约为土卫一的40%。研究人员表示，根据已建立的土星环质量和年龄关联模型，这一质量数值表明土星环很年轻，支持了土星环由土星捕获的彗星或柯伊伯带小天体演变而来的理论。

“除了对土星环和土卫六的观测，卡西尼还从土卫二上发现了由水和有机分子组成的间歇泉，这意味着土卫二内部可能有海洋，也就是说那里或许孕育了生命。这一发现开启了天体生物学的新台阶，我认为下一代的探索应该集中在土卫二上。”Ida说。

Ida表示，土星环是何时以及如何形成的，一直困扰着人们，即便现在没有一个明确的答案，卡西尼的数据已经为这个谜题提供了重要线索，但仍有很多诱人的问题等待着人们去解答。

卡西尼—惠更斯任务是NASA、欧洲航天局和意大利航天局的合作项目，于1997年10月15日发射升空，沿途造访过金星、地球、月球、小行星和木星，并于2004年抵达环土星轨道。近20年间，“卡西尼”探测任务大幅刷新了人类对土星的认识，包括它的复杂光环、类型多样的卫星体以及磁场环境等。它曾获得一系列重大发现，如土卫二存在全球性海洋，土卫六上存在液态甲烷海洋、在土卫二喷出的羽流中探测到氢等。

（责任编辑：侯茜）

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