土星上的一天有多长?天文学家告诉你答案

土星周围有一个精致的土星环系统,美到令人窒息。不过,除了美学价值外,其中还藏着不少科学信息。答案是:10小时33分38秒。

土星周围有一个精致的土星环系统,美到令人窒息。不过,除了美学价值外,其中还藏着不少科学信息。

土星上的一天有多长?天文学家告诉你答案

土星的阴影似乎咬掉了著名的土星圆环。这张合成图来自NASA卡西尼号探测器带来的效果图,拍摄于2016

发表于《天文物理期刊》的一项研究利用这些土星环,解开了一道难题:土星上的一天有多长?答案是:10小时33分38秒。

爱荷华大学的物理学家Bill Kurth表示,这一发现很重要,因为它是“太阳系内一切恒星的基本属性”。Kurth参与了NASA的卡西尼号任务,但没有参与此次研究。知道某个星球上的一天有多长,可以帮助破译其重力场及内部结构,不过天文学家用了几十年才弄清楚土星的相关信息。

“土星是唯一一个难以测量自转的行星”,地外文明搜索研究所的高级研究科学家Matthew Tiscareno说道。Tiscareno也没有参与此次研究,他解释说,类地行星的表面特征能追踪到,而另外三个气态巨恒星则不然,但它们有倾斜的磁场,随着星球旋转,磁场也会晃动。而这些扰动可以用来计算每颗行星的自转速率。

然而,土星的状况不同。这是一个充满气体的世界,打着旋的云一片混沌,天文学家无法准确追踪表面特征。同时,几个环绕土星飞行的航天器已经证实,土星的磁场水平异常,与自转极几乎完全成一条直线。这意味着土星旋转不会带来磁场方面的可测量的变化。

太阳系的小军鼓

多年来,天文学家一直一筹莫展。加州大学圣克鲁斯分校的天文学与天体物理学专业的研究生Christopher Mankovich,带领研究团队想到了一个办法。

土星环从未静止过。它们有时会产生涟漪或波动:通常当轨道卫星经过冰和尘埃附近时,土星环会拉扯它们;这些波动也可能是因为土星神秘内部深处的物质在振荡。如果一个移动物体在行星的重力场中产生了局部变化,那么土星环也会受影响。

这有点像小军鼓:主乐器奏响后,小军鼓也会被敲响作为回应。

Mankovich解释说:“虽然我们无法听到土星的振荡,但它很像一件乐器。它的音色由整体结构决定,包括大小、形状、成分、温度等等,有一定的振动频率范围。”

引发这些波动并不费力,一个质量相当于土星中等大小的卫星的物体在土星内部移动时,部分土星环会来回晃动。如果这种晃动与与土星环的轨道频率相匹配,就会引起共振,把小晃动变成清晰可见的螺旋波动。

这些波动的特性取决于它们所经过的物体,以及产生的原因。根据这一想法,Mankovich的 团队建立了一个定制数值模型,用这些波动来推测土星的内部结构。他们的模型不仅弄清了土星的内部机制,还计算出了土星上的一天有多长。

Tiscareno称赞研究团队在解决这个悬而未决的难题方面,“细致、可靠”。

卡西尼号太空探测器

那么,为什么用了这么长时间?Tiscareno告诉我们,早在20世纪90年代初,我们就观察到土星的内部质量和不定行为会引起土星光环的波动。爱达荷大学Matthew Hedman最近领导展开的一系列研究在这个基础上更进一步,发展所谓的“kronoseismology”,即利用土星环上的波动观察土星的内部情况。这一概念最早在1982年提出。

James O’Donoghue表示,谜团的最终解决要归功于已经告别世界的卡西尼号太空船。O’Donoghue是NASA戈达德宇宙飞行中心的行星科学家,不过他没有参与此次研究。


土星上的一天有多长?天文学家告诉你答案

土星环那微妙的自然色。卡西尼号太空船拍摄于2009年8月。

土星上的一天有多长?天文学家告诉你答案


土卫六,土星最大的卫星,正悬于土星环之上。卡西尼号太空船拍摄于2016年。

很多航天器都曾造访过土星,但卡西尼号最为钟情,它陪伴了这个巨大的行星13年。天文学家借助各种仪器,以前所未有的高分辨率观测着土星环。O’Donoghue说,卡西尼号带来了地面望远镜“不可能看到”的细节。

尽管我们知道这颗气态巨星会导致土星光环的波动,但没人知道究竟是什么东西造成的。预印本网站arXiv.org上的一篇新论文指出,在遥远的过去,土星曾遭遇过大碰撞,而这就像“敲响了钟”,并引发了持续的内部混乱,Mankovich说道。

但就目前而言,他说:“土星内部振荡的最终原因仍是一个谜”。

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