土星是太陽系的第二大行星，一系列星環(huán)環(huán)繞赤道?？茖W家發(fā)現(xiàn)星環(huán)每秒向這顆氣態(tài)巨行星傾瀉1萬公斤凍結物質

根據(jù)美國宇航局“卡西尼”號飛船的觀測數(shù)據(jù)，科學家發(fā)現(xiàn)土星環(huán)每秒向這顆氣態(tài)巨行星傾瀉1萬公斤凍結物質，數(shù)量是此前預計的10倍。“卡西尼”號的觀測揭示了土星環(huán)這一標志性特征的復雜一面。2017年9月，這艘飛船墜落土星大氣層。科學家表示這一發(fā)現(xiàn)將重新定義我們對行星環(huán)形成的認知，同時讓我們對太陽系運轉機制的了解發(fā)生革命性變化。

研究論文主執(zhí)筆人、“卡西尼”號離子和中性粒子質譜儀（INMS）項目首席研究員亨特·維特指出：“事實證明，土星環(huán)不僅會下雨，而且還是傾盆大雨?！毖芯啃〗M發(fā)現(xiàn)土星環(huán)由水、甲烷、氨、二氧化碳、分子態(tài)氮和一氧化碳構成。

2013年7月19日，“卡西尼”號拍下了這幅土星靚照，箭頭所指的淡藍小點就是我們的地球。此時，地球距土星14.4億公里

維特表示：“雖然INMS在設計上用于研究氣體，但我們也能對星環(huán)內的顆粒進行測量，因為它們高速撞擊‘卡西尼’號并發(fā)生汽化。水冰以及新發(fā)現(xiàn)的有機化合物以超出此前預計的速度從星環(huán)墜落，每秒的墜落物質多達1萬公斤?！?/span>

在土星大氣層和星環(huán)之間發(fā)現(xiàn)的化合物種類讓研究人員感到吃驚。研究論文合著者凱利·米勒表示：“與預計的一樣，分子氫在土星大氣中的比重最大。星環(huán)的‘降雨’包含大量水以及丁烷和丙烷等分子。烤架或者野營爐使用的便是這些化學物質?！毖芯空撐目窃凇犊茖W》雜志上。

 “卡西尼”號的觀測揭示了土星環(huán)的復雜一面，幫助科學家了解它們的構成。研究小組發(fā)現(xiàn)土星環(huán)由水、甲烷、氨、二氧化碳、分子態(tài)氮和一氧化碳構成

“卡西尼”號任務持續(xù)了20年之久，其中在土星系統(tǒng)逗留了13年。隨著燃料的耗盡，宇航局決定利用“卡西尼”號最后的繞軌分析土星上層大氣層并掠過內側星環(huán)邊緣。在最后的22次繞軌中，“卡西尼”號利用所攜設備對土星上層大氣層的構成進行測量，同時分析大氣成分與來自星環(huán)的物質之間的化學反應。

完成這些任務后，“卡西尼”號墜落土星，最終在濃密的大氣層中燃燒殆盡。米勒表示：“在最后的冒險中，‘卡西尼’號潛入土星環(huán)和土星大氣層之間的未知領域?；谝酝难芯浚茖W家認為水會以雨的形式從星環(huán)墜落土星大氣層。為此，‘卡西尼’號讓無線電天線充當一把傘，保護自己免遭碎片侵襲?！泵桌站吐氂诘驴怂_斯州的西南研究院。 

地球并不是唯一一顆上演極光秀的行星。2010年，“卡西尼”號拍下了這幅土星南極照，允許科學家第一次對土星極光進行研究

“卡西尼”號的移動速度極快，讓這種分析成為可能。但與此同時，這也讓數(shù)據(jù)的解讀工作復雜化。分子和顆粒會被“卡西尼”號撞得粉碎，INMS探測到的有機化合物可能是碎片。觀測結果顯示土星D環(huán)富于變化，各區(qū)域會隨著時間推移發(fā)生改變。

研究論文第二作者麗貝卡·佩里曼表示：“INMS是‘卡西尼’號任務末尾最后用于收集數(shù)據(jù)的儀器之一，獲取這些觀測數(shù)據(jù)并非一件容易的事情。大量物質墜落能夠對星環(huán)的演化產(chǎn)生重要影響，例如C環(huán)的物質不斷補充附近的D環(huán)?！?/span>

當土星及其星環(huán)從背后照亮時，科學家能夠看到從另一側無法捕捉的星環(huán)細節(jié)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了此前未曾見到的顏色差異

研究人員表示墜落的物質可能改變土星大氣層的碳和氧含量。研究論文合著者、堪薩斯大學物理學和天文學教授托馬斯·克拉文斯表示：“這是我們發(fā)現(xiàn)的太陽系運轉機制的一個新要素。有兩件事情讓我感到吃驚。第一個是，來自星環(huán)的物質的化學復雜性。我們一度認為星環(huán)幾乎完全由水構成。第二件事情是，墜落物質的數(shù)量遠遠超過此前預計。從星環(huán)墜落土星大氣層的物質數(shù)量和種類都讓我感到吃驚。”

 土星B環(huán)的邊緣，里面的某些結構高達2.5公里，形成針狀陰影。這些獨特結構究竟由何種因素所致，科學家尚不十分清楚

克拉文斯指出研究小組一度認為土星環(huán)幾乎完全由水構成，發(fā)現(xiàn)其它化合物讓他們感到非常意外。他說：“令我們感到吃驚的是，質譜儀發(fā)現(xiàn)了甲烷。這出乎所有人的意料。同樣出人意料的是，我們還發(fā)現(xiàn)了一些二氧化碳。我們一度認為星環(huán)完全由水構成。事實證明，土星的內側星環(huán)被嚴重‘污染’，水冰中摻雜著各種有機物質?！?/span>

5顆土星衛(wèi)星。從左至右分別是土衛(wèi)十“雅努斯”、個頭很小的土衛(wèi)十七“潘多拉”、明亮而多冰的土衛(wèi)二“恩克多拉斯”、部分被遮住的土衛(wèi)一“米瑪斯”以及處在前景的土衛(wèi)五“利亞”

土星最內側的星環(huán)——D環(huán)是向土星傾瀉物質的主要“元兇”。“卡西尼”號質譜儀的觀測數(shù)據(jù)顯示，來自D環(huán)的大量化學物質墜入土星上層大氣層。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為D環(huán)的旋轉速度遠超土星大氣層?？死乃拐f：“我們發(fā)現(xiàn)了這個過程，但并不十分清楚其中的機制。我們發(fā)現(xiàn)這些物質——包括一些揮發(fā)油——改變了赤道地區(qū)的土星上層大氣層；顆粒和塵埃受到‘污染’?！?/span> 

這幅照片帶有一點科幻色彩，3顆土星衛(wèi)星幻化成“月牙”——土衛(wèi)六“泰坦”、土衛(wèi)五“利亞”和土衛(wèi)一“米瑪斯”——形成令人難忘的景象

克拉文斯指出研究發(fā)現(xiàn)有助于科學家進一步了解太陽系、其它恒星系統(tǒng)和系外行星的運轉機制，同時也提出了一系列新問題。他說：“這些發(fā)現(xiàn)能夠幫助我們了解行星的星環(huán)如何形成。某些行星有星環(huán)，某些沒有。星環(huán)的壽命多長？如何獲得補充？土星是否存在一個沒有星環(huán)的時期？星環(huán)的構成如何演化？星環(huán)內的物質是否是太陽系形成過程的殘余？它們的歷史能否追溯到太陽之前的原始星云？這個星云的塌陷最終形成了太陽和行星?！?/span>

土星北極的永久性風暴，猶如一朵驚艷的玫瑰花?！懊倒屣L暴”的風眼寬2000公里，云速可達到每秒150米。照片攝于2012年11月27日，是“卡西尼”號拍攝的首批土星北極照片之一

研究人員指出由于星環(huán)以遠超預計的速度驅逐物質，專家們認為星環(huán)的壽命可能比預計的短?？死乃拐f：“我們發(fā)現(xiàn)星環(huán)驅逐物質的速度至少是此前預計的10倍。如果不能獲得補充，星環(huán)不可能長久存在。這就像一個出現(xiàn)破洞的水桶。木星星環(huán)之所以如此纖細，可能就是這個原因。星環(huán)如潮水一樣時漲時落。在某個時期，它們逐漸走向干涸，直至新物質涌入?！?/span> 

藝術概念圖，“卡西尼”號正對土星進行觀測

“卡西尼”號于1997年從佛州卡納維拉爾角發(fā)射升空，經(jīng)過7年的飛行抵達土星系統(tǒng)，隨后環(huán)繞土星13年。2000年，“卡西尼”號用了6個月時間研究木星，2004抵達土星。在對土星進行觀測時，它發(fā)現(xiàn)了6顆新衛(wèi)星、星環(huán)內高聳的三維結構以及一場持續(xù)近一年之久的巨型風暴。

2004年12月13日，“卡西尼”號第一次飛掠土衛(wèi)六“泰坦”和土衛(wèi)四“狄俄涅”。12月24日，歐航局向土衛(wèi)六派遣“惠更斯”探測器，研究大氣層和地表構成，最后發(fā)現(xiàn)了由甲烷和乙烷構成的烴湖。2008年，“卡西尼”號完成探索土星系統(tǒng)的主任務，開始執(zhí)行擴展任務——卡西尼晝夜平分時任務。 

“卡西尼”號不僅研究土星，同時還對眾多土星衛(wèi)星進行觀測并拍攝大量精彩照片。這幅照片拍攝于2009年11月1日，展示了土衛(wèi)二“恩克拉多斯”和土衛(wèi)十七“潘多拉”

2010年，“卡西尼”號開始第二項任務——卡西尼至點任務。2011年12月，“卡西尼”號獲取解析度最高的土衛(wèi)二“恩克拉多斯”圖像。2012年12月，它對金星凌日進行追蹤，測試觀測系外行星的可能性。2013年3月，“卡西尼”號最后一次掠過土衛(wèi)五“利亞”，測量其內部結構和引力拖拽。 

2005年，“卡西尼”號近距離掠過土衛(wèi)七“許珀里翁”，捕捉這顆形狀不規(guī)則衛(wèi)星的身影，同時獲取怪異地表的細節(jié)特征。土衛(wèi)七的地表好似海綿，原因仍是不解之謎

2013年7月，“卡西尼”號拍攝土星背光照，對星環(huán)進行細致觀測，同時還拍攝了一幅地球照片。2017年4月，“卡西尼”號與土衛(wèi)六上演最親密接觸，而后書寫“最終篇章”，9月15日結束自己的使命。

倫敦大學學院穆勒太空科學實驗室行星科學組負責人安德魯·科特斯表示：“‘卡西尼’號任務改變了我們對地外如何孕育生命的認知?；鹦恰⑼列l(wèi)二、木衛(wèi)二和土衛(wèi)六都可能孕育出生命。我們徹底改寫了有關土星的教科書?！?/span>