太空裡的鐘聲,是土星散發的重力波在演奏樂曲

對於地球和月球這樣的岩石天體,可以通過對地震產生的地震波的研究來探測它們的地層,但是氣態巨行星卻沒有,所以研究人員不得不採用其他方法,比如研究一顆行星的磁場。卡西尼太空船發現土星環系統有20多個波,是由土星的中心引起的,且能使其像鍾一樣響起。這些波的特徵是由行星的大小,形狀和組成決定的。它們揭示了土星表面下的大規模結構,包括那些視覺無法觀測到的結構。

來自土星內部的重力波正在環繞著土星的光環

(圖解:卡西尼探測器拍攝到的接近夏至時土星北半球的圖像。圖源:美國宇航局/加州理工學院/空間科學研究所)

土星的光環像鈴鐺一樣在響著,這讓研究人員能通過音波探索這顆星球的內部構造。重力讓土星內部的地震波發散到土星環外,美國宇航局的卡西尼號探測器能在那裡探測到微小的震動。根據新的研究發現,土星內有比原先預期更多的穩定分層結構部分。

行星將其內部構造隱藏在難以穿透的地殼岩層裡,雖然像地球和月球這樣的岩石星球可以通過研究地震波來探測其內層結構,但氣態巨行星沒有固體的表面可以測到這類波動,因此,研究人員必須採用其他方法,如研究行星磁場。

(圖解:美國宇航局卡西尼號宇宙飛船2009年9月20日拍攝、2013年12月23日發佈的土星最大的衛星土衛六與其光環之間的動態相互作用。在土星光環內的每個位置,粒子都以特定的週期或節奏運行。這張圖片聚焦於環中兩個環相對獨立的位置,在那裡,粒子運行節奏與土衛六繞土星16天公轉軌道的不同方面保持同步,創造出標誌性的效果,從遠處指向土衛六。圖源:美國宇航局/加州理工學院/空間科學研究所)

美國宇航局發射的卡西尼號探測器在2004年抵達土星軌道,不久後,研究人員認識到該行星的光環在奇怪地振盪。與現有理論預測到的波不同的是,探測器發現了一組小波動信號,其原理類似地球內部的重力波。

加州理工學院研究員克里斯托弗·曼科維奇在給《太空》網站的一封電子郵件表示:「重力波的特殊之處在於,它的存在要求天體內部至少有一部分相對靜態穩定,而不是對流的狀態。」

(圖解:卡西尼號探測器模擬示意圖。圖源:網路圖片)

在這一研究結果發表前,對太陽系巨行星的主流觀念認為,它們內部的熱流體像熔岩燈一樣將熱量向外擴散推動。單在較輕的氫和氦下面存在較重的成分,如岩石和水冰,這些會抑制流體運動併產生重力波。以土星為例,這種波會導致行星像鐘聲一樣發出響聲。

曼科維奇說:「通過環形地震學探測到土星內部的重力波,是目前僅有的一項確鑿證據,表明土星內部有相當一部分是穩定的分層結構,而不是對流結構。」

在像地球這樣的岩石行星上,內部的震動可以像波一樣穿透行星內部和表層傳播。因此,在距離大地震震中數百英里的地方都可以感覺到地震餘波。因此,來自星球內的多種波動會產生一種在駐波模式在星球周邊向外發散。

曼科維奇說:「這意味著整個星球都在像鍾一樣鳴響。」

像鍾一樣,重力波的特徵由行星的大小、形狀和組成決定。它們揭示地表下大規模的結構,包括那些無法通過其他方式探測或接觸到的結構。

這一過程也在土星上發生,在那裡,由微小的岩石和冰組成的環形帶圍繞土星運行,大部分時間它們平靜有序,偶爾發生碰撞。幾十年來,科學家們已經知道環形帶的粒子會受到土星82個衛星引力的影響。雖然環震學是20實際90年代初提出的,但知道我們的宇宙飛船環繞行星運行了一段時間,這一想法才得以實現。

卡西尼號發現,土星環也受到行星振盪引力場的波動影響。該航天器發現土星環系統中又20多個波是土星內部振盪造成的。根據曼科維奇的理論,這種相互作用只發生在環中的特殊位置,但結果可能是「戲劇性的」。這種影響很小,波峰的距離只有一公里左右,而環形帶跨度接近30萬公里。

曼科維奇說:「這些波只有在非常小的範圍內才是明顯的。卡西尼號通過前往土星,近距離、專門地研究這一系統,使得對這種波的深入研究成為可能。

(圖解:科學家猜測的土星內部結構圖,土星的核心質量大約是地球的 17 倍,裡面充滿了氫、氦、冰和岩石的混合物。圖源:網路圖片)

了解土星的內部發生了什麼是一個持續的研究過程。根據曼科維奇的說法,環形地震學傾向於土星內部有一個厚厚的穩定區域,該區域大約佔行星半徑的四分之一。這與從行星磁場收集到的資訊有些不一致,磁場說傾向於土星內部僅有一個狹窄的、僅佔行星半徑的5%到10%的穩定區域。

曼科維奇說,現在對土星內部到底是怎樣下論斷還為時過早。但有一種可能性是,產生土星磁場的過程與它的姐妹星球,氣態巨行星木星相比,差別巨大。

曼科維奇還說:「隨著卡西尼號傳輸回來的資料的解析,未來幾年將逐步揭開土星的面紗,這是很神奇的時刻。」他沒有對不同理論的差異感到沮喪,反而是很興奮。

(圖解:2006年卡西尼號拍攝的一張土星光環被太陽照亮的背光合成照片。圖源:美國宇航局)

「這證明了像卡西尼號這樣的探測器意義重大,它讓我們擁有了越來越多的資料,其中不同的部分能反映出不同的結果——這也表現出我們對太空的認知和實際情況的差距,並提供了更多發現真相的機會。」他補充說:「科學協同作用是最好的。」

BY: Nola Taylor Redd

FY: 君歸心

如有相關內容侵權,請在作品發佈後聯繫作者刪除

選文:天文志願文章組-

翻譯:天文志願文章組-君歸心

審核:天文志願文章組-

終審:天文志願文章組-零度星系

排版:天文志願文章組-零度星系

美觀:天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自

  1. 原文來自:

(https://www.space.com/saturns-rings-ring-like-bell.html)

  1. 百度百科-千秒差距:

(https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%83%E7%A7%92%E5%B7%AE%E8%B7%9D)

  1. 百度百科——視星等:(https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%86%E6%98%9F%E7%AD%89/2342142?fr=aladdin)

  2. 百度百科——梅西耶天體:(https://baike.baidu.com/item/%E6%A2%85%E8%A5%BF%E8%80%B6%E5%A4%A9%E4%BD%93)

  3. 百度百科——藍移:(https://baike.baidu.com/item/%E8%93%9D%E7%A7%BB)

本文由天文志願文章組-君歸心翻譯自文章作者Nola Taylor Redd的作品,如有相關內容侵權,請在作品發佈後聯繫作者刪除。

結束,感謝您的閱讀與關注

全文排版:天文線上(零度星系)

相關文章

土星環像鐘聲一樣 “響 “了起來

土星環像鐘聲一樣 “響 “了起來

【內容簡介】:對於地球和月球這樣的岩石天體,可以通過對地震產生的地震波的研究來探測它們的地層,但是氣態巨行星卻沒有,所以研究人員不得不採用其...