最新研究发现土星有颗巨大的“汤状”核心 _科学

科学家观察土星环中的波纹，借此测量土星核心的大小和形状，他们发现土星核心比我们所想像的要更大也更奇怪。PHOTOGRAPH BY NASA, JPL

土星核心的质量大约是地球的17倍，充满了氢、氦、冰和岩石的混合物。ILLUSTRATION BY ROBERT HURT, CAL TECH HTTPS://CALTECH.APP.BOX.COM/S/GUXGZ9PFIWJ6ESH73QFKP9R3R7PO66F4
（）据美国国家地理（撰文：NADIA DRAKE 编译：邱彦纶）：土星由冰、岩石和气体混合组成的「汤状」核心比预料中巨大，使行星科学家感到惊讶不已。
在号称太阳系丰饶之神的土星内部，隐藏着意想不到的大礼：超过土星直径60%的巨大核心。藉由观测土星环细微波纹而测量到的土星核心，似乎是由冰、岩石和气体，混合成有着模糊边界、像汤一般的物质。
「它非常巨大。」加州理工学院的克里斯．曼科维奇（Chris Mankovich）说，他在《自然天文学》（Nature Astronomy）期刊上发表了有关土星核心的最新研究，「这和我们的预期完全不同。」
土星的巨大核心让科学家重新思考这颗有环行星的形成方式，以及土星如何产生奇怪的均匀磁场。「这比我们想像的要复杂得多。」并未参与此项研究的约翰霍普金斯大学萨宾．史坦利（Sabine Stanley）表示。
为了仔细研究土星的内部结构，科学家们转而观测这颗行星的光环──它就像个地震仪，记录了这颗气态巨行星内部的晃动和脉动。研究团队对土星环中的细微波纹进行解码，发现土星的核心质量相当于地球的17倍，而且不像预期的那样是个不连续的致密岩石铁块。
「要了解行星最深处的任何事物真的很难，尤其是巨行星。」史坦利说：「我们所获得的任何资讯，都会改善先前的认识。」
现在科学家必须弄清楚，像土星这样的巨行星如果真有如此混乱的巨大核心，那要如何成长？让整件事更复杂的是，这项最新研究所得知的土星内部结构，很难解释这颗行星是如何产生神秘的磁场。
「想要解释土星磁场的观测结果非常棘手，由于许多原因，土星的磁场相当诡异。」曼科维奇说：「这是很不寻常的行星内部结构。」
一窥行星内部
土星最为人所知的，就是围绕着这颗行星运行、闪闪发光的土星环。从远处看起来，土星环像是个完整的环形，但其实它是由无数冰块组成的──有些像房子一样大，有些比鹅卵石还小，而且和土星及土星卫星之间的重力交互作用，也会推动、拉动和改变土星环的形状。有些土星卫星会在环中划出缝隙，而有些卫星则会修整土星环的边缘，使它井然有序。
此外，土星环还记录着土星内部的运作情形。通常科学家会利用行星重力场的变动，一窥行星表面下方的情形──但这种技术无法穿透像土星这样的气态巨行星深处。不过，土星环的确提供了解行星核心深处的窗口。
在1980年代就有行星科学家推测，土星内部的运动可能会在土星的C环产生可观察到的涟漪。C环隐身在行星附近，既宽且暗。当土星的核心跳动或是内部晃动时，这颗行星会产生脉动。这样的振荡与土星环粒子产生交互作用，造就所谓的螺旋密度波，也就是C环内的涟漪。
曼科维奇说，这所有的想法「都被证明百分之百正确」。但需要二十多年的时间和数十亿美元的太空任务，才得以证实这些预测。
2013年，科学家研究来自美国航太总署（NASA）卡西尼号（Cassini）太空船的数据──这艘太空船在2004年到2017年间环绕土星运行──观测到土星环中的第一个地震特征，并用来推测行星内部的情形。研究团队创造了「土星地震学」（kronoseismology）一词，以描述这个新兴的研究领域，他们将大部分观察到的土星环涟漪与行星的内部运动互相关联。2019年，科学家利用土震学技术，确定土星的自转周期为10小时33分。
「在这个领域要耐得住性子。」马克．马利（Mark Marley ）笑着说；他是土星地震学的先锋之一，也担任这项新研究的审查人。「事实证明，这些波纹都确实存在，大约有二十几个波纹在我们所预测的地方附近出现。」
但至少还有一个神秘的波纹是马利没有预料到的──也就是是曼科维奇和同样来自加州理工学院的吉姆．傅勒（Jim Fuller）用来一窥土星核心情形的那个。
「观测结果非常明确地显示，土星一定得要有个渐进式的模糊核心，才能解释这个多出来的波纹和其他所有波纹，」马利表示：「这种特殊环波对行星深处的情形非常敏感。」
土星的巨大核心
曼科维奇和傅勒观察土星环上的波纹，发现土星的核心占了行星的绝大部分。与科学家的预期完全不同，这颗行星的核心是由氢、氦、冰和岩石组成的弥散汤状混合物，而不是由石铁组成的明确核心。如果把土星切成两半，不会看到像洋葱、变色硬糖或地球内部那样层层分明的结构。而是有着模糊界线的核心，潜得愈深，物质就愈稠密。
在土星核心的极端温度和压力下，气体的行为更像是金属流体，而不是一团空气。这团奇异物质的混合物，是种难以在地球实验室复制的组合。曼科维奇表示，当他和傅勒看到描绘出的土星情形是如此奇怪，也曾试图为土星环中的地震特征找到别的解释。
「我们努力尝试不这么解释。」他说，但这篇新研究中有关土星核心的状况「似乎才能确实诠释数据。」
虽然结果出乎意料，但这样的土星核心模型与科学家从土星所收集到的大量重力数据非常吻合，也和美国航太总署朱诺号（Juno）太空船的发现相呼应，这表示木星的核心可能以类似的成分混合而成。
但木星没有浓厚的行星环系统可以记录内部的推挤情形。「我们需要炸毁木星的一个小卫星。」马利开玩笑说，这样就能形成一个能够记录木星核心脉搏的行星环。
众多谜团待解
一般来说，我们认为气体巨行星起源于逐渐聚集的小块物质；它会变得愈来愈大，直到原行星的重力拉拢附近的所有气体，但目前仍不清楚这种方式可否制造出像曼科维奇和傅勒观察到的那种核心。
土星的核心可能在形成后的45亿年间发生了变化，慢慢溶解成液态金属氢或是被其他未知的过程改变。「不过我们还不知道究竟是怎样。」曼科维奇说。
让人惊讶的另一点是根据曼科维奇和傅勒的推论，土星的核心并没有在对流，这表示它不会像预期的那样转移热量──这个观察结果可能解释了土星在红外线波段异常明亮的原因。「木星现在的亮度与我们预期它在形成后45亿年的亮度差不多，但土星太亮了，」马利说：「因为土星的核心没有对流，这会减慢冷却速度，让土星比原本预期的还要更亮。」
但如果核心不对流，那对行星磁场的形成会是个重大挑战。通常行星磁场是因行星核心深处旋转对流的导电流体层所产生的发电机效应而形成，但根据这项最新研究，土星内部的状况并非如此，占行星直径60%的核心并没有对流。科学家现在想弄清楚的是，会不会有层薄薄的液态金属氢在核心内或核心外侧流动。
但即使是这样，也很难解释土星特殊的对称磁?。庥氲厍蚣澳拘乔阈薄⒉还嬖虻拇懦〔煌?。有种可能性是在磁力线抵达行星表面之前，有层「氦雨」让磁力线变得平滑，但研究人员无法对巨大核心如何影响这种过程提出很好的解释。
「不能用磁场来解释很难，也不能用发电机模型，而且这是个巨大的行星。」斯坦利说，他正在与曼科维奇和傅勒合作解开土星磁场之谜。「这就是科学有趣的地方。」
想回答这些有关土星的问题，需要仔细审视卡西尼号太空船所收集到的大量资讯，使用超级电脑详细模拟行星内部的情形，并利用地面上的望远镜设计实验。未来科学家还可以用这些方法来检验天王星、海王星等其他行星的行星环，揭露可能记录在冰冷粒子中的任何秘密。
「那些行星环之中藏着许多谜团，」马利说：「所以我们想看看那里是否也发生了一样的事情。」