螺旋桨、波纹和空隙：卡西尼号对土星环的最后凝视

自卡西尼号于 2017 年冲入土星大气层，结束了其 13 年的任务以来，科学家们一直在继续梳理它传回的海量数据，特别是其最后一年，那时它比以往任何时候都更接近土星环。

研究发现包括对复杂环系统的深入了解，该系统比科学家们预期的隐藏了更多的结构，包括“稻草状”纹理、形状像螺旋桨的微小缝隙，以及环的波浪状、雕刻状边缘。科学家们仍然不知道是什么造成了其中一些结构，这可能需要等到下一次大型土星任务才能揭晓。

在更具体的研究发现中，科学家们意识到土星环的质量比他们想象的要小一半，而且环可能相当年轻——可能只有 1000 万年的历史。这对环系统的形成以及它如何继续演变具有重要意义。

最新研究结果发表在周四发表在《Science》杂志上的一系列论文中。

这是一个谜

科学家们立即感兴趣的是土星环结构的精细程度。NASA喷气推进实验室的 Linda Spilker，她也是一项研究论文的合著者，并撰写了今天发表的卡西尼任务回顾，她说，随着他们放大得越来越近，他们不断看到越来越复杂的图案。在最后几次近距离接近时，卡西尼号以每像素不到一英里的分辨率观测环，新的特征仍在不断出现。

“真正令人着迷的是在环中发现了这些纹理，”Spilker 说。“我们称它们为条纹状、团块状或稻草状。它们有非常清晰的边界，我们正试图了解为什么它们如此清晰。它们与任何明显的东西都不相关。” 这些差异似乎不是由于粒子聚集或不同类型的材料造成的，但它们可能由于整个环中粒子大小的变化而造成。但科学家们不知道为什么粒子会自行分离成如此狭窄、界限分明的条带。“这是一个谜，”Spilker 说。

研究人员注意到的其他微小特征被称为螺旋桨，因为它们的形状。这些是由微小的卫星打开的环中的小缝隙，卫星只有几千英尺宽。事实上，研究人员甚至在卡西尼号的图像中看不到卫星本身，只看到了它们造成的缝隙。他们可以观察到这些缝隙在环中移动。“它们往往会稍微靠近土星，有时会向外移动。这不是任何可预测的模式，”Spilker 说。

她将这些小卫星比作岩石行星体，它们在太阳系年轻时聚集在一起形成了行星。年轻的恒星通常被扁平的尘埃和碎屑盘包围，行星被认为从中形成。类似的过程似乎也发生在土星周围。

“螺旋桨之间的相互作用告诉我们天体物理盘如何相互作用。土星环是那种物质盘的类比，”Spilker 说。

环理论

土星环的年龄和出乎意料的小质量也为新理论提供了素材。科学家们仍然不确定土星环的起源。它们是自 45 亿年前一开始就存在，像一个微型太阳系一样慢慢地从尘埃和冰形成卫星吗？还是它们是更近期形成的特征，由土星在过去 10 亿年内撕裂了一些入侵的小行星体造成的？

现在，最新的证据表明，这些环似乎相对年轻——可能只有 1000 万年的历史。但它们也可能被来自土星卫星恩塞拉多斯喷泉的冰质材料重新覆盖，从而保持它们崭新的外观，并隐藏由辐射和尘埃引起的衰老迹象。

Spilker 说，新的数据确实证明了月球和环系统之间存在更复杂的关系。“这三篇论文的共同点是，我们对月球如何影响环以及螺旋桨卫星如何迁移有了更好的掌握。这是月球和卫星之间的一个梯度。”她还指出，土星环缝隙中的许多卫星，如 Pan、Daphnis 和 Atlas，都有自己的环粒子裙，就像微型的土星本身。

虽然这些论文对环的复杂结构以及它们与土星众多卫星和卫星的相互作用有很多说明，但它们不太可能成为该主题的最终结论。“还有很多我们尚未了解，”Spilker 说。“最后的这一年，尤其是穿过环和行星之间的缝隙，就像一次全新的任务。有了十三年如此丰富和庞大的数据集，我们才刚刚触及表面。我确信还有新的发现等待着。”