土星环物质快速流失中,1亿年后或许终将消失

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  光环是土星最大的特征。美国宇航局(NASA)哥达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center,GSFC)计划科学家James O'Donoghue等人最新研究指出:目前土星环内的冰粒尘埃等物质在土星磁场的影响下,被土星引力拖曳而落向土星表面而形成尘埃雨。而这个土星环物质流失速率,是当初航海家1号和2号飞掠时观测估计的最大值,换句话说,这个土星的最大特征正在逐渐消散,未来可能再也不得见。

艺术家想像未来1亿年内,土星环的变化模样。Credits: NASA/Cassini/James O'Donoghue

  O'Donoghue表示:根据估计,从土星环降下的水,只需半小时就足以将奥林匹克标准泳池(50m×25m×2m)填满;单独以此速率估算,整个土星环在3亿年内就会完全消失不见。但若加上卡西尼号太空船(Cassini)测量出的整个土星环物质落往土星赤道的总量,那么土星环消失的时限将在1亿年之内。与土星超过40亿岁的年龄相比,1亿年真的是很短的时间尺度。

  天文学家长久以来一直争议土星环的来源,有的认为是和土星一起形成,有的则认为土星先形成后,土星环才在某种契机下形成。O'Donoghue等人的研究结果偏向后者,从观测数据推测它存活期限不会多于1亿年;假设C环曾经稠密得如现在的B环一样,那么它大概也得花很长时间才会变成现在这样稀疏的模样。O'Donoghue表示:我们很幸运,恰好处在土星环生命期的中期,所以还能看到它的存在。然而,如果光环只是暂时性的,那么或许我们已经错过另外三颗巨行星——木星、天王星和海王星的光环浓密的时代,如今只剩稀薄的光环或光弧而已。

  现行有多种光环起源的理论。如果光环是在行星形成后才形成的,那么时间点应该是在小型冰质卫星环绕土星过程中还会发生互撞的时候,或许因为那时它们的轨道会受到从邻近处掠过的彗星或小行星的引力扰动而不稳定的结果。

  第一个暗示土星环有下雨现象的是数样航海家号太空船看似无关的事件:土星的带电高层大气(电离层)的异常扰动,土星环密度变化,土星北半球中纬度地区出现3条窄暗带环绕土星。这些暗带出现在航海家2号于1981年的土星朦胧的高层大气(平流层)影像中。

  1986年的时候,GSFC的Jack Connerney发表一篇论文,将这些窄暗带和土星庞大的磁场形状联系起来,认为土星环中带电冰粒会顺着看不见的土星磁场磁力线向下流动,进而在这些磁力线穿出土星高层大气的地方留下水分。这些来自光环的水汇集之处都发生在特定纬度,冲刷平流层中的雾霾,使得此处的阳光反射量变少而显得阴暗,最终变成航海家2号拍到的窄暗带。

  土星环绝大部分是小如微小尘粒、大到数公尺砾石大小的水冰聚集而成。在因土星重力而向内拉和因轨道运动速度而向外甩的平衡之下,土星环中的粒子才得以维持平衡状态。在高层大气中的微小粒子,会被来自太阳的紫外辐射或是来自光环微流星体(micrometeoroid)撞击制造出的电浆云的作用下而变成带电状态;再受到土星磁场影响,这些带电粒子便会被卷向土星表面。在光环的某些地方,一旦变成带电状态,微粒之间受到的各方作用力变化剧烈,不再处于平衡状态,所以光环内的带电粒子就会被土星引力拽着、沿磁力线进入土星高层大气中,光环自然就会逐渐消散。

  当光环带电物质进入高层大气中的时候,冰粒质物质会蒸发,产生的水分则会和土星电离层产生化学交互作用,使高层大气中的三氢阳离子(H3+)增加。三氢阳离子是由3个带正电的质子和2个带负电的电子组成的离子,在星际介质裡能稳定存在,所以是宇宙中最丰富的离子之一。当被阳光照射时,三氢阳离子会在红外波段发光,O'Donoghue等人就是利用位在夏威夷的凯克望远镜(Keck telescope)以特殊仪器观察到这个红外辐射。

  在他们的观测中,土星北半球和南半球都呈现出发光的亮带,即前述与光环环面交互作用的磁力线进入土星高层大气的地方。他们透过分析这个红外辐射来测量光环落往土星的物质量和对土星电离层的影响范围,结果发现光环雨的物质量符合30年前Connerney等人估计的最高值,其中在南半球有个区域的数值是最高的,让这些天文学家相当惊讶。

  O'Donoghue等人同时在南半球纬度较高的地区发现一条亮带。这是土星磁场和土卫二(Enceladus)公转轨道交错之处;土卫二是颗地质活动非常活跃的卫星,在其南极附近有水冰泉喷入太空中,意味着有部分土卫二喷出的物质也落往了土星表面。Connerney表示:这点倒不让人意外,因为天文学家早从航海家号发现另一条暗带的影像中,确认土卫二和E环含有丰富的水。土卫二水冰喷泉在2005年时首度由卡西尼号太空船拍摄发现,天文学家现今认为应是在其冰质地壳之下有着液态海洋,这让土卫二筹为太阳系中搜寻地外生物的最佳目标之一。

  土星绕太阳公转一周约29.4年,相对于太阳的光环角度也会随之不同。既然阳光中的紫外辐射会让冰粒变成带电物质而能顺着土星磁力线运动,那么当光环相对于太阳的角度不同时,暴露在太阳紫外辐射的程度会随之不同,光环雨的量必定也会随之改变。所以,O'Donoghue等人接下来将探索光环雨如何随着土星季节而变化。

资料来源:NASA/Goddard Space Flight Center

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