在任務(wù)最終階段,，卡西尼號(hào)探測(cè)器飛行于土星及其光環(huán)系統(tǒng)之間。圖片來源：NASA

（Shea/譯）土星上會(huì)下雨,。每一秒,，土星環(huán)都會(huì)向土星的云層播散大約數(shù)百千克的水冰、有機(jī)分子和其他微小的顆粒,。

在卡西尼號(hào)執(zhí)行任務(wù)的最后幾周里,，它先后22次從土星和它的光環(huán)之間穿過，品嘗了光環(huán)雨,，讓科學(xué)家終于有機(jī)會(huì)直擊土星及其光環(huán)間驚艷而復(fù)雜的相互作用,。

認(rèn)識(shí)這一復(fù)雜性,，并非只是一項(xiàng)難懂的學(xué)術(shù)研究，還朝著揭開土星系統(tǒng)最亙古不變的謎題邁進(jìn)了一步,。這個(gè)謎題便是——太陽系中最著名的這個(gè)光環(huán)系統(tǒng)是如何起源的,，它的年齡又有多大？了解光環(huán)的成分及其播散粒子的速率,，可以為了解土星歷史提供關(guān)鍵線索,。

“是不是我們足夠幸運(yùn)，才剛好生活在這樣一個(gè)土星擁有華麗光環(huán)的時(shí)期,？”美國科羅拉多大學(xué)的肖恩·徐（Sean Hsu）問道,，“如果大質(zhì)量的光環(huán)是新近才形成的,，它會(huì)對(duì)土星其他的冰質(zhì)衛(wèi)星施加什么樣的影響,？這個(gè)問題想來也很有意思?！?/p>

卡西尼號(hào)墜毀前的圖像,，顯示了土星的夜晚側(cè)，它會(huì)在那里墜入土星的大氣層,?？梢钥匆姡列堑脑茖颖还猸h(huán)反射的光照亮,。圖片來源：NASA,、JPL-Caltech、Space Science Institute

下雨天

有物質(zhì)會(huì)從土星環(huán)降落下來,，這并不讓人意外,；幾十年來，理論和觀測(cè)都支持這一論斷,。但這些物質(zhì)究竟如何在該系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng),，有多少會(huì)從土星的天空中落下，以及它們會(huì)如何改變?cè)祈斚路降幕瘜W(xué)特性,，這些問題的答案此前并不清楚,。

現(xiàn)在，《科學(xué)》雜志上發(fā)表的3篇論文報(bào)道了土星上光環(huán)雨的細(xì)節(jié),。這些論文采用了2017年底卡西尼號(hào)墜入土星前“偉大終章”軌道后期的一系列觀測(cè)數(shù)據(jù),。

在從土星及其光環(huán)間的縫隙呼嘯而過時(shí)，卡西尼號(hào)的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每小時(shí)110 000千米——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了星載儀器設(shè)計(jì)所能應(yīng)對(duì)的上限,。對(duì)于力圖解釋這些數(shù)據(jù)的科學(xué)家來說,，如此高的速度著實(shí)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

“他們?yōu)榇俗髁烁鞣N努力,，最終非常聰明地弄清楚了儀器返回的數(shù)據(jù),，”NASA的杰克·康奈尼（Jack Connerney）說,，“這完全超出了科學(xué)家最初的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)?！?/p>

2017年9月14日,，卡西尼號(hào)在墜毀前拍攝到了土星及其光環(huán)的華麗影像。圖片來源：NASA,、JPL-Caltech,、Space Science Institute

在這個(gè)窄縫中，卡西尼號(hào)測(cè)量了環(huán)的質(zhì)量,、土星的重力及磁場(chǎng),，還“品嘗”了數(shù)百個(gè)光環(huán)顆粒。它攜帶的3臺(tái)設(shè)備迅速研究了這些顆粒,，每一臺(tái)都可以“嘗出”顆粒的不同味道,。不出意外，結(jié)果與預(yù)期并不相符,。

首先,，土星的天空中漂浮著一個(gè)意料之外的粒子層，其中納米尺度的粒子會(huì)與土星大氣分子發(fā)生碰撞,，最終向內(nèi)漂移,，沿著土星赤道降落下去。

肖恩·徐說,，“在卡西尼進(jìn)入‘偉大終章’軌道之前,，我們完全不知道還有這些粒子存在?！?/p>

其他設(shè)備發(fā)現(xiàn),，下落的光環(huán)顆粒中包含有機(jī)分子，例如甲烷,、丁烷,、丙烷，以及一些富含硅酸鹽的顆粒,。帶有強(qiáng)電荷的顆粒,，由于會(huì)沿著土星的磁力線運(yùn)動(dòng)，絕大多數(shù)都降落到了土星南半球,。其他的顆粒則沿著土星的赤道下落,。

根據(jù)卡西尼號(hào)最新的數(shù)據(jù)，這幅圖顯示了土星環(huán)雨的化學(xué)構(gòu)成,。圖片來源：NASA/JPL/SWRI

水冰占據(jù)了土星光環(huán)的95%～99%,，但科學(xué)家在光環(huán)雨中發(fā)現(xiàn)的水，卻沒有預(yù)期的這么多。NASA艾姆斯研究中心的杰夫·庫齊（Jeff Cuzzi）對(duì)此有一個(gè)解釋：一個(gè)此前未被探測(cè)到且緊靠D環(huán)的輻射帶把冰質(zhì)顆粒物中的水剝離掉了,。根據(jù)這個(gè)解釋,，在更靠近土星的地方探測(cè)到的粒子很可能是能抵御輻射的物質(zhì)，例如硅酸鹽和有機(jī)物,。

降雨量

更令人困惑的是,，對(duì)于有多少物質(zhì)正在落入土星大氣層，3個(gè)科學(xué)家小組都作出了估計(jì),，結(jié)果卻差別巨大,。這很可能是他們是在土星周圍不同位置對(duì)不同物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。

一個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,，每秒鐘約有4.5千克的納米顆粒正從土星的D環(huán)落向土星——這是最低的,。另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則發(fā)現(xiàn)，光環(huán)雨每秒包含了45 000千克的水冰,、有機(jī)物和硅酸鹽粒子——這是最高的,。

科學(xué)家認(rèn)為，后者也許是光環(huán)物質(zhì)降落量臨時(shí)增加所致,，很可能源于最近的一次彗星碰撞,。但如果這個(gè)值是穩(wěn)定不變的，庫齊指出,，那就說不通了。光環(huán)中并沒有足夠多的物質(zhì),，能夠維系光環(huán)中的顆粒以如此高的速度下降,。

庫齊說，雖然土星上肯定有光環(huán)雨,，但現(xiàn)在就嘗試用不同的雨量來估算光環(huán)的年齡還為時(shí)過早,。

“原則上，通過測(cè)量來自光環(huán)的物質(zhì)量來估計(jì)光環(huán)的年齡是個(gè)很好的想法,，”庫齊說,，“但就像許多的好想法一樣，實(shí)現(xiàn)起來卻很復(fù)雜,?！?/p>

2017年9月15日，卡西尼探測(cè)器墜入土星自毀,。在它拍攝的最后一批圖像中,，可見土星的冰質(zhì)衛(wèi)星土衛(wèi)二躲在土星的后面。圖片來源：NASA,、JPL-Caltech,、Space Science Institute

瓦解的衛(wèi)星

不過，卡西尼號(hào)的新結(jié)果仍有助于解答另一個(gè)謎題：土星環(huán)最初是如何形成的？根據(jù)共有的成分,，目前科學(xué)家手頭的數(shù)據(jù)都指向了同一個(gè)答案：有一顆衛(wèi)星或彗星解體了,。

此外，庫齊指出,，土星C環(huán)中包含奇怪的富硅酸鹽物質(zhì),，這與有一顆衛(wèi)星被瓦解所留下跡象相符。在衛(wèi)星形成和成長的過程中,，其內(nèi)部會(huì)被加熱,，富含硅酸鹽的巖石會(huì)熔化并沉入核心，而較輕的冰質(zhì)物質(zhì)會(huì)形成衛(wèi)星的地幔,。

在土星瓦解這顆假想衛(wèi)星的時(shí)候,，來自該衛(wèi)星核心的碎石逗留在較厚的C環(huán)中，而冰質(zhì)且含水的地幔則形成了明亮的A環(huán)和B環(huán),。

在一個(gè)已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定地存在了數(shù)十億年的系統(tǒng)里,，這一事件如何在最近的幾億年里發(fā)生，仍是個(gè)開放的問題,。另一個(gè)問題則是,，土星究竟如何與這顆被瓦解的衛(wèi)星相互作用。