科學家:我們可能錯了,土星環可能並不是之前認為的那樣

2025年01月12日18:32:06 科學 1993

說到土星,相信大家首先想到的並不是它「太陽系第二大行星」的身份,而是它那美麗的行星環,實際上,科學家對土星環也非常感興趣,並一直在對其進行研究。

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根據之前的理論,土星環的顆粒主要由水冰構成,而這些水冰顆粒會不斷受到太空中微流星體的撞擊,由於微流星體帶來的塵埃物質會污染土星環上的顆粒,使它們逐漸變得暗淡,因此如果土星環已經像土星本身一樣存在了數十億年,它就理應變得非常暗淡。

而觀測數據卻表明,土星環是非常「光潔明亮」的,所以一個合理的解釋就是,與土星本身的年齡相比,它應該很「年輕」,由於這種觀點合情合理,因此在過去的日子得到了普遍的認同,科學家甚至還通過理論估算出,土星環的年齡應該在在1億至4億年之間。

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然而隨著研究的深入,科學家卻發現,實際情況很可能並非如此, 一項近日發表在《自然·地球科學》上的研究表明,我們可能錯了,土星環可能並不是之前認為的那樣「年輕」。這具體是怎麼回事呢?下面我們就來了解一下。

根據介紹,在此次研究中,科學家利用了來自「卡西尼」號探測器(Cassini)的數據建立了計算機模型,用於仔細研究微流星體與土星環的相互作用。

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(↑「卡西尼號」探測器)

科學家發現,撞擊土星環的微流星體雖然非常微小(直徑一般在1至100微米之間),但它們的速度卻很快(一般都可達到每秒30公里),因此它們都蘊含了很高的動能,能夠在撞擊瞬間產生較為極端的物理效應。

模擬結果表明,當撞擊發生時,這些微流星體通常會受到超過100GPa的高壓(這大概是地球海平面氣壓的100萬倍),同時其溫度會驟然上升到超過1萬攝氏度,這種劇烈的衝擊會導致構成微流星體的物質,以及土星環中極少一部分的物質迅速氣化,進而形成高溫的氣體。

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接下來,這些高溫氣體會以較快的速度(平均超過每秒14公里)向外膨脹,並在隨後的冷卻過程中逐漸形成大量的納米級顆粒,這些顆粒主要由硅酸鹽物質構成(因為硅酸鹽蒸氣比水蒸氣更容易凝結),在土星磁場的作用下,它們很快就會帶上電荷,成為帶電顆粒。

在此之後,這些帶電顆粒並不會留在土星環之中,根據計算機模型的模擬,它們會被土星磁場「驅逐」出土星環的平面,其中的一部分會在土星引力的作用下墜入土星的大氣層,另一部分則會因為具有足夠高的速度而直接從土星的引力場逃逸。

參與該研究的科學家指出,這樣的結果表明,儘管微流星體會不斷撞擊土星環,但是它們所產生的「污染物」卻並沒有積累在土星環上,而是很快就會「帶」走,這種機制就像是土星環的「自潔系統」,可以讓其始終保持著相對「光潔明亮」的狀態。

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而這就意味著,土星環可能並不是之前認為的那樣「年輕」,其真正年齡可能會遠遠超過幾億年,甚至在土星形成之初,它就可能已經存在了。當然了,就目前的情況來看,這也只能說是一種合理的假設,實際情況是否真是這樣,還有待進一步的驗證,期待在未來的研究中,科學家能有更多的發現。

參考資料:Pollution resistance of Saturn』s ring particles during micrometeoroid impact,Nature Geoscience. doi.org/10.1038/s41561-024-01598-9

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