发布单位：台北市立天文科学教育馆

　　美国科罗拉多大学波德分校的物理学家Sascha Kempf领导的一项新研究提供了迄今为止最有力的证据，证明土星环非常年轻，这可能会回答困扰科学家一个多世纪的问题。

图说：土星环的条纹颜色可能来自于被困在环冰中的少量杂质所造成。（Credit: NASA/JPL/Space Science Institute）

　　这项研究已发表在《科学进展》期刊上，认为土星环的年龄不超过4亿年。这使得土星环比大约有45亿年的土星本身要年轻很多。本研究中，Kempf团队开始藉由研究土星环尘埃积聚的速度来确定土星环形成的时间，有点像用手指沿着房子的表面滑动来判断房子的年龄。Kempf说：「把土星环想像成你家的地毯，如果你已经铺好乾淨的地毯，只需要等待灰尘落在地毯上，对土星环来说也是如此。」

　　从2004年到2017年，该团队使用了NASA的卡西尼号探测器上的宇宙尘埃分析仪来分析围绕土星飞行的尘埃微粒。在这13年里，研究人员只收集了163颗的微粒，但这已经足够了。根据他们的计算，土星环可能只聚集了几亿年的尘埃。换句话说，土星环是一种新现象，它的出现（甚至有可能消失）在宇宙中相当于一眨眼的时间，但仍然不知道这些环最初是如何形成的。

　　土星主要有七个由无数冰块组成的环，大多数都不比地球上的巨石大。总的来说，这些冰块的总重量约为土卫一（Mimas）的一半，并从土星表面延伸了近28万公里。Kempf补充说，在20世纪的大部分时间，科学家们都认为土星环可能与土星同时形成。

　　研究小组估计，行星际尘埃每年对土星环每平方英呎的贡献远不到1克，虽然只是一点点，但随着时间的推移，累积起来已经足够了。土星环可能已经正在消失，在之前美国NASA的科学家报告说，冰正在慢慢地降落到土星上，并可能在未来1亿年内完全消失。

图说：由LASP设计和建造的木卫二表面尘埃分析仪（SUDA）将收集尘埃颗粒，作为美国NASA木卫二快船任务的一部分。（Credit: Glenn Asakawa/CU Boulder）

　　卡西尼号提供了一个确定土星环年龄的机会，它于2004年抵达土星并收集数据，直到2017年故意坠入土星大气层。宇宙尘埃分析仪的形状有点像一个水桶，当微粒呼啸而过时，就会把它们舀起来。科罗拉多大学波德分校的大气与太空物理实验室（Laboratory for Atmospheric and Space Physics，LSAP）的研究人员为美国NASA即将于2024年发射的木卫二快船（Europa Clipper）任务设计并建造了一个更复杂的尘埃分析仪。（编译/台北天文馆吴典谚）

资料来源：University of Colorado at Boulder

发布单位：台北市立天文科学教育馆

　　土星的B环有一些斑点和深色或浅色条纹称为辐条，这可能与尘埃及行星磁场的相互作用有关。这些辐条会周期性的出现，持续时间约8年。如同地球一般，土星自转轴倾角为26.73度，这种倾斜使土星有了四季，但因土星离太阳远得多，绕太阳公转一圈需要29.45年，每个季节持续7个地球年左右。经数十年的观察发现，辐条通常在春分前约4年开始出现。土星的下一个春分点于2025年，因此辐条预计将在2021的某个时候出现。在2022年9月哈勃的观测数据中，研究团队追踪到了辐条，辐条季节已真正开始。

图说：哈勃望远镜于2022年9月获得的辐条影像。图片来源：Simon et al., Geophys. Res. Lett., 2023

　　通常辐条仅在土星的春季和秋季出现，即以春分点和秋分点为中心的8年期间，并在夏季和冬季消失。1980年代初期航海家计划首次观测到辐条，这些短暂又神秘的特征会根据照明和视角的不同，呈现暗淡或明亮。在进一步的观察和分析后发现更多奇怪之处，辐条从上面看起来通常很暗；从下面看则亮的多，而且它们并非总是在那。

图说：1981年航海家2号获得的轮辐影像。图片来源：NASA

　　研究人员表示哈勃「外行星大气遗产计划」（Outer Planet Atmospheres Legacy，OPAL）正在建立太阳系外行星的数据档案，这表示我们将有比以往任何时候都还要长的时间来研究土星的辐条。土星辐条上一次出现在2009年，当时卡西尼号正围绕着这颗气态巨行星进行近距离观测，但尽管卡西尼任务进行了多年的出色观测，辐条季节出现的确切时间和持续时间仍无法预测，如同要预测飓风季中的第一场风暴一样困难。随着航海家探测器早已远去，卡西尼号任务于2017年完成，哈勃将继续观测土星和其他外行星。

　　至于辐条是什么原因造成的，科学家认为可能是土星的可变磁场，行星磁场与太阳风相互作用，形成带电环境。在地球上，当这些带电粒子撞击大气层时，在北半球可以看到北极光。辐条本身由环中的尘埃颗粒组成，天文学家认为尘埃大小的冰环颗粒也会带电，这将使这些颗粒悬浮在环中其他较大的冰颗粒和巨石之上。辐条是否也会发生在其他行星的行星环上目前尚不清楚，为什么它们只季节性的出现？造成辐条的确切原因仍在研究中，但它们的重新出现，加上哈勃OPAL计划，将能提供更详尽地研究机会。相关研究成果将发表于《Geophysical Research Letters》期刊上。（编译/台北天文馆赵瑞青）

资料来源：SCI-NEWS

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