气态的土星有一个弥漫核:比想象中的大,约为其直径的60%

一项新研究对土星内部结构提出新认知:土星拥有一个缺乏清晰边界的弥漫核,土星核的大小一直延伸至土星半径的约60%——显著大于之前的估算。
该研究于北京时间8月16日发表在国际知名期刊《自然-天文学》,论文标题为“A diffuse core in Saturn revealed by ring seismology”,通讯作者为加州理工学院行星科学研究助理Christopher R. Mankovich。
土星是一颗气态巨行星。与地球表面覆盖着岩石不同,土星没有真正的表面。它体积巨大,是太阳系第二大行星,仅次于木星,土星的直径大约相当于九个地球排成一排。土星拥有一个“酷炫”的环,土星环系统从行星延伸至282000公里,这个环有数百个细环,主环的垂直高度通常约为10米。实际上,它们由数十亿小块冰和岩石、尘土组成,颗粒大小从尘埃到房屋大小的大块,它们绕土星转动的速度也各不相同。
“从卡西尼号的数据来看,很明显土星环拥有几十个螺旋波(每一个都像螺旋星系中熟悉的螺旋波),这些螺旋波是由土星内部流体的振荡引起的土星引力的小幅度摆动产生的。”Mankovich对记者介绍道,“通过测量这些波的频率,我们发现了土星振荡的频率,从这些频率我们可以了解土星的内部结构,就像乐器发出的声音可以说明很多关于乐器的大小和形状一样。”
“通过将观测到的频率——土星的‘声音’——与我们所建立的详细的土星内部结构模型进行比较,我们意识到土星必须有一个明显弥散的核,才能够产生在土星环中所测到的一组特殊频率。”Mankovich表示。一般认为,土星有一个金属核,核周围有一个主要由氢和氦组成的包层。而此项研究发现土星核是由混合了氢、氦的弥漫物质与重金属共同组成,核与包层之间并没有清晰的界限。
Mankovich在此前一篇相关论文中表示,气态巨行星的结构和组成是行星形成过程的关键示踪物。历史上,人们对气态巨行星内部结构的了解很重要源于对其引力场的测量。在过去几年,由于朱诺号和卡西尼号等航天器对木星、土星引力场的近距离观测,人们对这些巨行星的内部质量分布和自转情况的了解比以往更精准。由于行星核(行星最中心部分)隐藏着关于行星形成过程的宝贵线索,然而,仅有引力场很大程度上对行星核的了解几乎无用。不过,土星环能够提供其内部的信息。
为什么土星环能够让人们了解土星的内部情况?与地震能够让科学家了解地球的深层结构一样,气态巨行星的振动能够提供其深层结构的信息,不过这些振动很难被检测到。行星核对行星引力场造成的扰动十分微弱,这会限制确定其内部结构时所能达到的精确度。受到土星引力影响,土星环上物质的轨道接收到行星的稳定振动,使得土星环震成为研究土星内部运作的有力工具。
此项研究中,研究人员通过将引力数据与土星环震的观测数据相结合,发现,土星核的大小一直延伸至土星半径的约60%——显著大于之前的估算,并且土星核是由混合了氢、氦的弥漫物质与重金属共同组成(包含约17个地球质量的冰和岩石),核与包层之间并没有清晰的界限。论文表示,确定土星内部结构的演化是对标准行星形成模型的一次挑战,同时也有助于了解土星的物质吸积历史。
关于土星研究的下一步,Mankovich说,“我真的很想看看是否可以改进这个模型来解释观测到的土星磁场的一些特征,那是目前我们的模型无法完全解释的另一种数据集。我们的同事(Chi Yan 和 Sabine Stanley)今年发表了一篇论文,认为土星的磁场可能需要一个稳定的分层壳,该壳与扩散核不同。因此我很高兴去追求具有这两种特征的模型,看看我们是否能同时了解土星的引力、地震活动和磁力。”
“气态巨行星令我着迷,因为它们和我们所处的世界完全不同。从金属氢到氦雨以及模糊核,它们神秘的内部都是非常迷人的地方。”谈及研究土星、木星这类气态巨行星的原因时,Mankovich表示。
NASA官网显示,土星距离太阳的平均距离超过14亿公里,约9.5个天文单位(一个天文单位是太阳到地球的距离。)因此,阳光从太阳传播到土星需要80分钟。土星白天的时长在太阳系中为第二短,一天只有10.7小时;而土星绕太阳一周(土星时间的一年)大约需要29.4个地球年。它的轴相对于围绕太阳的轨道倾斜26.73度,这意味着,土星像地球一样也有季节。土星是太阳系中唯一一颗平均密度小于水的行星。就是说,如果把它放到水里,它可以浮起来。土星风力强劲,在其赤道地区,高层大气中的风速达到每秒500 米。(地球上最强的飓风强度顶峰为每秒110米)。土星具有很强的压力,以至于将气体挤压成液体。
“我认为木星和土星占据了我们太阳系(不包括太阳)的大部分质量,而且它们自形成以来基本上没有受到外部过程的影响,因此了解它们的组成和结构可以告诉我们许多关于年轻时期的太阳系以及行星形成过程的信息。” Mankovich表示。

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