一項新研究對土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出新認知：土星擁有一個缺乏清晰邊界的彌漫核，土星核的大小一直延伸至土星半徑的約60%——顯著大于之前的估算。

該研究于北京時間8月16日發(fā)表在國際知名期刊《自然-天文學(xué)》，論文標題為“A diffuse core in Saturn revealed by ring seismology”，通訊作者為加州理工學(xué)院行星科學(xué)研究助理Christopher R. Mankovich。

土星是一顆氣態(tài)巨行星。與地球表面覆蓋著巖石不同，土星沒有真正的表面。它體積巨大，是太陽系第二大行星，僅次于木星，土星的直徑大約相當于九個地球排成一排。土星擁有一個“酷炫”的環(huán)，土星環(huán)系統(tǒng)從行星延伸至282000公里，這個環(huán)有數(shù)百個細環(huán)，主環(huán)的垂直高度通常約為10米。實際上，它們由數(shù)十億小塊冰和巖石、塵土組成，顆粒大小從塵埃到房屋大小的大塊，它們繞土星轉(zhuǎn)動的速度也各不相同。

“從卡西尼號的數(shù)據(jù)來看，很明顯土星環(huán)擁有幾十個螺旋波（每一個都像螺旋星系中熟悉的螺旋波），這些螺旋波是由土星內(nèi)部流體的振蕩引起的土星引力的小幅度擺動產(chǎn)生的?！盡ankovich對澎湃新聞（www.nxos.com.cn）記者介紹道，“通過測量這些波的頻率，我們發(fā)現(xiàn)了土星振蕩的頻率，從這些頻率我們可以了解土星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就像樂器發(fā)出的聲音可以說明很多關(guān)于樂器的大小和形狀一樣?！?/p>

“通過將觀測到的頻率——土星的‘聲音’——與我們所建立的詳細的土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型進行比較，我們意識到土星必須有一個明顯彌散的核，才能夠產(chǎn)生在土星環(huán)中所測到的一組特殊頻率。”Mankovich表示。

卡西尼號拍攝的土星  圖片來源于NASA官網(wǎng)

一般認為，土星有一個金屬核，核周圍有一個主要由氫和氦組成的包層。而此項研究發(fā)現(xiàn)土星核是由混合了氫、氦的彌漫物質(zhì)與重金屬共同組成，核與包層之間并沒有清晰的界限。

Mankovich在此前一篇相關(guān)論文中表示，氣態(tài)巨行星的結(jié)構(gòu)和組成是行星形成過程的關(guān)鍵示蹤物。歷史上，人們對氣態(tài)巨行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解很重要源于對其引力場的測量。在過去幾年，由于朱諾號和卡西尼號等航天器對木星、土星引力場的近距離觀測，人們對這些巨行星的內(nèi)部質(zhì)量分布和自轉(zhuǎn)情況的了解比以往更精準。由于行星核（行星最中心部分）隱藏著關(guān)于行星形成過程的寶貴線索，然而，僅有引力場很大程度上對行星核的了解幾乎無用。不過，土星環(huán)能夠提供其內(nèi)部的信息。

為什么土星環(huán)能夠讓人們了解土星的內(nèi)部情況？與地震能夠讓科學(xué)家了解地球的深層結(jié)構(gòu)一樣，氣態(tài)巨行星的振動能夠提供其深層結(jié)構(gòu)的信息，不過這些振動很難被檢測到。行星核對行星引力場造成的擾動十分微弱，這會限制確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)時所能達到的精確度。受到土星引力影響，土星環(huán)上物質(zhì)的軌道接收到行星的穩(wěn)定振動，使得土星環(huán)震成為研究土星內(nèi)部運作的有力工具。

此項研究中，研究人員通過將引力數(shù)據(jù)與土星環(huán)震的觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)，土星核的大小一直延伸至土星半徑的約60%——顯著大于之前的估算，并且土星核是由混合了氫、氦的彌漫物質(zhì)與重金屬共同組成（包含約17個地球質(zhì)量的冰和巖石），核與包層之間并沒有清晰的界限。

土星環(huán)震限制了土星的核心-包層界面  

論文表示，確定土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化是對標準行星形成模型的一次挑戰(zhàn)，同時也有助于了解土星的物質(zhì)吸積歷史。

關(guān)于土星研究的下一步，Mankovich說，“我真的很想看看是否可以改進這個模型來解釋觀測到的土星磁場的一些特征，那是目前我們的模型無法完全解釋的另一種數(shù)據(jù)集。我們的同事（Chi Yan 和 Sabine Stanley）今年發(fā)表了一篇論文，認為土星的磁場可能需要一個穩(wěn)定的分層殼，該殼與擴散核不同。因此我很高興去追求具有這兩種特征的模型，看看我們是否能同時了解土星的引力、地震活動和磁力?！?/p>

“氣態(tài)巨行星令我著迷，因為它們和我們所處的世界完全不同。從金屬氫到氦雨以及模糊核，它們神秘的內(nèi)部都是非常迷人的地方。”談及研究土星、木星這類氣態(tài)巨行星的原因時，Mankovich表示。

NASA官網(wǎng)顯示，土星距離太陽的平均距離超過14億公里，約9.5個天文單位（一個天文單位是太陽到地球的距離。）因此，陽光從太陽傳播到土星需要80分鐘。土星白天的時長在太陽系中為第二短，一天只有10.7小時；而土星繞太陽一周（土星時間的一年）大約需要29.4個地球年。它的軸相對于圍繞太陽的軌道傾斜26.73度，這意味著，土星像地球一樣也有季節(jié)。

卡西尼號拍攝的土星  圖片來源于NASA官網(wǎng)

土星是太陽系中唯一一顆平均密度小于水的行星。就是說，如果把它放到水里，它可以浮起來。土星風力強勁，在其赤道地區(qū)，高層大氣中的風速達到每秒500 米。（地球上最強的颶風強度頂峰為每秒110米）。土星具有很強的壓力，以至于將氣體擠壓成液體。

“我認為木星和土星占據(jù)了我們太陽系（不包括太陽）的大部分質(zhì)量，而且它們自形成以來基本上沒有受到外部過程的影響，因此了解它們的組成和結(jié)構(gòu)可以告訴我們許多關(guān)于年輕時期的太陽系以及行星形成過程的信息。” Mankovich表示。