土星環(huán)形成的冰雨正在慢慢加熱它的大氣

土星環(huán)的冰雨如何造成大氣層的“神秘?zé)狳c(diǎn)”

這張土星的合成圖像顯示了一個(gè)萊曼--α--核球——北半球的明亮帶——由于氫氣過剩。(北極顏色最亮的部分是極光區(qū)。)多個(gè)行星探測任務(wù)已經(jīng)在土星上發(fā)現(xiàn)了過量的氫。科學(xué)家們認(rèn)為，來自土星環(huán)的穩(wěn)定冰雨加熱了上層大氣，使那里的氫反射更多的特定波長。圖片來自NASA/ ESA/ Lotfi 本·查飛爾 (IAP & LPL)。

土星以其豐富的光環(huán)系統(tǒng)而聞名，你甚至可以僅僅通過一個(gè)小型望遠(yuǎn)鏡看到土星的光環(huán)。天文學(xué)家說，這些環(huán)比看起來更有活力。但是他們也表明，冰冷的土星環(huán)顆粒像雨點(diǎn)一樣落在土星上，加熱了土星的高層大氣。在分析了美國宇航局四次太空任務(wù)中收集的40年來的土星觀測數(shù)據(jù)后，他們得出了這一結(jié)論。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的觀測幫助將所有在紫外線下收集的證據(jù)聯(lián)系在一起。這些結(jié)果可能有助于天文學(xué)家了解系外行星是否有星環(huán)系統(tǒng)。雖然我們觀測不到遙遠(yuǎn)的行星環(huán)，但遙遠(yuǎn)行星的紫外光譜可能會(huì)提供線索。

一個(gè)歷經(jīng)40年的發(fā)現(xiàn)

這個(gè)秘密已經(jīng)在眾目睽睽之下隱藏了40年。但是，一位資深天文學(xué)家在一年之內(nèi)會(huì)使其全部公之于眾。巴黎天體物理研究所和亞利桑那大學(xué)月球與行星實(shí)驗(yàn)室的魯特非·本·查飛爾除了利用美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和退役的卡西尼探測器對(duì)土星的觀測外，還利用了旅行者1號(hào)和2號(hào)航天器以及退役的國際紫外線探測器任務(wù)的數(shù)據(jù)。

研究表明，來自土星環(huán)的冰 "雨 "正在加熱這個(gè)氣體巨行星的大氣層，這是在我們的太陽系中以前從未發(fā)現(xiàn)過的現(xiàn)象。這是土星和土星環(huán)之間意想不到的相互作用，可能會(huì)為預(yù)測其他恒星周圍的行星是否也有類似土星這種豐富的光環(huán)系統(tǒng)提供一個(gè)工具。

證據(jù)是過量的紫外線輻射，科學(xué)家將其視為土星大氣中熱氫的光譜線。輻射的增加意味著有什么東西正在從外部污染和加熱上層大氣。

來自土星環(huán)上的雨

.這種升溫最可能的原因是冰環(huán)粒子落到了土星的大氣中。 也許是因?yàn)槲⑿〉奶针E石、太陽風(fēng)的撞擊、來自太陽的紫外線或者是磁力抓住了帶電塵埃的緣故。.這一切的發(fā)生都是因?yàn)樵谕列且龅挠绊懴?，引力把粒子拉進(jìn)了土星 。

2017年，在美國宇航局的卡西尼號(hào)探測器用俯沖到土星的大氣層的方式結(jié)束任務(wù)的同時(shí)，它檢測了空氣成分，證實(shí)了大量粒子來自于土星環(huán)。本·查飛爾是2023年3月30日發(fā)表在同行評(píng)議的《行星科學(xué)雜志》上的一篇論文的主要作者 。他說：“雖然我們已經(jīng)從卡西尼號(hào)探測器中了解了土星環(huán)的影響，但發(fā)現(xiàn)它們對(duì)行星氫原子的影響卻是十分震撼的。我們之前對(duì)氫原子的含量一無所知。其實(shí)所有的一切都是由環(huán)狀粒子驅(qū)動(dòng)的，這些環(huán)狀粒子在特定緯度層流到大氣中。它們改變了上層大氣，改變了組成。然后這些與大氣氣體的碰撞過程可能會(huì)加熱特定高度的大氣。

一個(gè)透過紫外線的觀察結(jié)果

本·查飛爾的結(jié)論需要將研究土星的四次太空任務(wù)的檔案紫外線(UV)觀測資料匯總在一起。包括了美國國家航空航天局的兩個(gè)旅行者號(hào)探測器在20世紀(jì)80年代飛越土星并測量出過剩的紫外線的觀測結(jié)果。但是在那時(shí)，天文學(xué)家認(rèn)為這些測量結(jié)果是探測器發(fā)出的噪音?？ㄎ髂崽?hào)于2004年抵達(dá)土星，也花費(fèi)很多年收集了大氣層的紫外線數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)來自哈勃望遠(yuǎn)鏡和由美國宇航局（NASA），歐洲航天局（ESA）和英國科學(xué)與工程研究委員會(huì)（ the United Kingdom’s Science and Engineering Research Council）共同合作的于1978年發(fā)射的國際紫外線探測器。但最大的問題是，所有這些數(shù)據(jù)是否只是一種幻象，或者它是否真的反映了土星上的真實(shí)現(xiàn)象。

解開謎團(tuán)的關(guān)鍵在于本·查飛爾使用的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀(STIS)的測量結(jié)果。科學(xué)家們利用它對(duì)土星的精確觀測來校準(zhǔn)來自其他四個(gè)觀測土星的太空任務(wù)的檔案紫外線數(shù)據(jù)。他將光譜儀（STIS）對(duì)土星的紫外線觀測與多個(gè)太空任務(wù)和儀器的光分布進(jìn)行了比較。本·查飛爾說:

當(dāng)我們校準(zhǔn)所有東西時(shí)，可以清楚地看到，所有得到的的光譜都是一致的。這是可能的，因?yàn)槲覀冇邢嗤膮⒖键c(diǎn)，在過去的幾十年里，我們測量了從大氣，哈勃望遠(yuǎn)鏡中轉(zhuǎn)移出來的能量速率。這對(duì)我來說是一個(gè)驚喜。我只是把不同的光分布數(shù)據(jù)畫在一起，然后突然意識(shí)到，它們都是一樣的。”

土星環(huán)上持續(xù)不斷的冰雨

經(jīng)過40年收集多個(gè)涵蓋了多個(gè)太陽周期的紫外線數(shù)據(jù)，天文學(xué)家現(xiàn)在可以研究太陽對(duì)土星的季節(jié)性影響。通過將所有這些不同的數(shù)據(jù)匯集在一起并進(jìn)行校準(zhǔn)，本·查飛爾發(fā)現(xiàn)紫外線輻射水平?jīng)]有差異。他說：“在地球上的任何位置，我們都可以探測紫外線的輻射水平”

這表明土星環(huán)上穩(wěn)定的“冰雨”是最好的解釋。本·查飛爾繼續(xù)說:

我們才剛剛開始研究行星上層大氣的環(huán)表征效應(yīng)。我們最終希望有一種全球性的方法，能夠產(chǎn)生關(guān)于遙遠(yuǎn)星球大氣的真正特征。這項(xiàng)研究的目標(biāo)之一是看看我們?nèi)绾螌⑵鋺?yīng)用于圍繞其他恒星運(yùn)行的行星。我們可以把它稱為尋找“外環(huán)”。

總結(jié):一項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)表明，土星環(huán)上持續(xù)的冰雨影響了這個(gè)氣體巨星的大氣。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于發(fā)現(xiàn)系外行星周圍的星環(huán)。

BY:EarthSky Voicesand

FY: 不會(huì)游泳的小魚

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