新研究顯示土星可能有一個更大的彌散核?

通過將引力數(shù)據(jù)與土星環(huán)震的觀測數(shù)據(jù)相結合,提供了對土星內部結構的新認知 | 圖源:pixabay.com
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美國東部時間8月16日《自然·天文學》(Nature Astronomy)上發(fā)表的一篇論文指出,土星環(huán)的震蕩更新了人們對于土星內部結構的認知??ㄎ髂崽柾列翘綔y器的數(shù)據(jù)顯示,土星有一個缺乏清晰邊界的彌漫核,這一發(fā)現(xiàn)限制了土星形成和演化的可能方式。[1]
巨行星的內部結構無法直接觀測,天文學家們通常需要借助繞其旋轉的探測器,再研究其引力場的詳細構形來確定結構。然而,行星核(行星最中心部分)對行星引力場造成的擾動十分微弱,這會限制確定其內部結構時所能達到的精度。一般認為,土星這個氣態(tài)巨行星有一個金屬核,核周圍有一個主要由氫和氦組成的包層。
上述論文作者、加州理工學院教授 Christopher Mankovich 和 Jim Fuller 研究了土星,通過將引力數(shù)據(jù)與土星環(huán)震的觀測數(shù)據(jù)相結合,更新了人們對土星內部結構的認知。
兩位研究者發(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、氦的彌漫物質與重金屬共同組成,核與包層之間沒有清晰的界限。這些信息給土星本身的演化歷史提供了新的限制條件。[2]


太陽系中每一個行星都存在一個核心。除此之外,行星的內部通常是一個明顯的分層結構。以我們生活的地球為例,地球的核心分固態(tài)內核心和液態(tài)外核心,均主要由鐵和鎳組成。正是液態(tài)核心的流動產(chǎn)生了地磁場,保護我們免受宇宙射線輻射。核心外是一層柔軟的地幔再包裹上一層堅硬的地幔,而最外面是一層薄薄的地殼。整個地球的內部就像洋蔥一樣,剝開一層又一層。[3]

對行星內部結構的研究也有助于揭示行星本身的演化歷史。
以太陽系為例,早期太陽系就是一個混沌的塵埃盤。在引力作用下塵埃逐漸聚集成團,如滾雪球一般在繞中心的軌道上 “掃蕩”,最后形成原始的行星。

大量的引力勢能在這樣的過程中得到釋放,同時太陽系早期也有大量的輻射性元素。這些能量最后都變成了行星的內部熱量,讓巖石變得柔軟甚至于處于液態(tài)的熔融狀態(tài),這樣行星內部的物質就具有了很好的流動性。在引力的作用下,密度低的物質往上浮,密度大的物質往中心下沉。就像你把不同液體混合在一起靜置一段時間,最終不同的液體會分開,一種液體占據(jù)一層。


1797年,英國科學家亨利·卡文迪許 (Henry Cavendish)——就是測量出萬有引力常數(shù)那位卡文迪許,計算出地球的平均密度大約是水的5倍多 [4]。到今天,相信任何具有高中物理知識的朋友都能完成這個工作。這密度看上去似乎并不大,但由于地表的巖石密度基本上不會超過水的三倍左右,可以推測,地球內部的密度要大得多。限于當年的科技水平,卡文迪許沒法更細致地研究地球內部。之后在1898年,俄羅斯地球物理學家維切特(Wiechert)推測地球的組成與鐵隕石類似,以此建立了一個以鐵和鎳為核心的地球內部模型 [5]。
真正的突破是在1906年,英國地理學家理查德·迪克森·奧爾德姆(Richard Dixon Oldham)通過對地震波中P波的觀測探測到了地球核心的存在 [6]。之后幾十年的地震學的研究幫助科學家清晰的確認了地球的內部結構。地震會在地層中產(chǎn)生兩種地震波——橫波(S波)和縱波(P波),這兩種波在同種介質中傳播速度不同,同時這兩種波在物質的分界面上也會發(fā)生反射和折射。在全球對地震波進行監(jiān)測就可以推算出地球內部的分層結構。
所以,我們能對地球的結構了解得這么清楚,得益于我們就生活在地球之上。不過,哪怕是這樣,我們至今沒法直接對地球的結構進行探測。畢竟,目前人類最深的鉆井——科拉超深鉆井 [7],也才不過一萬多米深,最多剛剛打穿地殼(地殼的厚度大約在5~70千米之間)。
對于地球以外的行星,我們基本無法登陸,就只能采取更加間接的方法去推測其內部結構。要探測到內部的信息,就一定需要搜集到從內部傳出來的信號。既然地震波不能用了,電磁波也無法穿透厚厚的地層,那就只有用萬物皆有的引力來搜集信息了。
引力勢能的公式是。然而,這個公式只能用于計算均勻球體之外的引力場。如果是一個不均勻的球體,甚至是橢球體,就需要用到更高級的方法。
真空中的引力場滿足拉普拉斯方程。給定邊界條件,求解這個方程就能得到行星的引力場分布。這個方程的解可以用球諧函數(shù)展開,最后得到的結果就是均勻球體的引力場外加上無窮多修正項。這些修正項其實就是對行星的不均勻性的描述,越高級的項影響越小。實際操作中只需要考慮前幾項就夠了。
那么,只要我們發(fā)射探測器對行星周圍的引力場進行測量,根據(jù)數(shù)據(jù)與方程進行擬合,就能確定修正項的參數(shù),從而確定行星的引力場。根據(jù)引力場的分布我們就能大致推測行星的質量分布,以此確定行星的內部結構。
比如2004年NASA向水星發(fā)射的 “信使號” 探測器就配備了非常精密的儀器用于確定探測器的速度和位置。通過探測到的速度和位置就能算出其受到的引力大小,再排除太陽的引力影響就能確定行星的引力場。我們也因此得到了更多的關于水星內部結構的信息。[8]
除此之外,探測行星的磁場,觀察表面的火山活動等方法也能獲得一部分的內部信息,但是都沒有直接觀測引力場獲得信息那么全面,這里就不一一贅述了。


引力場的分布對行星核心的信息并不是特別敏感,因此通過引力場分布能很好的確定行星靠外的結構,但是對于其內部結構的了解十分模糊。
相對于其他行星來講,土星有一個特別的地方就是它有一圈由巖石和冰塊組成的環(huán)。土星自身的引力場當然也會影響環(huán)內物質的分布。NASA在1997年發(fā)射升空的 “卡西尼號”,我想大家并不陌生。那張著名的由土星回望地球的照片便是它所拍攝。“卡西尼號” 在土星環(huán)上發(fā)現(xiàn)了一些特別的波動,這些波動就像是水中的漣漪一樣在環(huán)上傳播。經(jīng)過初步的計算,這些波動不可能是土星衛(wèi)星的引力攝動造成,只能是土星內部的引力影響而成 [9]。

土星物質各種類型的非均勻分布能讓引力場產(chǎn)生不同的變化,數(shù)學上可以用不同的函數(shù)來表達不同的分布模式,將每種不同的分布模式疊加起來就能得到總的引力場分布,這就是上面提到過的球諧函數(shù)展開的原理。不同的模式就能讓土星的引力場產(chǎn)生不同模式的微小波動,這個波動就會在土星環(huán)上產(chǎn)生密度波,就像水中的漣漪。用觀測數(shù)據(jù)和理論模型進行擬合就能確定土星環(huán)上的這些波動具體是由何種模式產(chǎn)生的。找出了所有可能的模式,將他們疊加起來就能得到更精確的引力場的信息。結合探測器所觀測到的土星的引力場,就能更加精確的確定土星內部的質量分布。
事實上,本文開頭提到的論文就是用了這種方法,對土星的內部結構做出了比以前更加精確的預測。土星內部結構導致的引力場波動被土星環(huán)記錄下來進而被我們觀測到,就好像是我們 “聽” 到了土星 “心臟跳動” 的聲音。
上述論文中,作者們最后得出結論——土星的內核彌漫到了土星半徑的60%,而且這個核心可能是逐漸過渡到外層,和外層之間沒有非常清晰的界限。

——太陽系其他行星結構研究情況 [3]

結合NASA 2004 年發(fā)射的信使號(MESSENGER)探測器的觀測,研究者們目前認為水星有一個非常大的內核,大約占據(jù)整個水星半徑85%。因此也有人認為水星在演化過程中丟失了大量外殼物質。水星外層主要是以硅為主的地殼和地幔。而水星的 “心” 可能有一個三層結構——最外層是固態(tài)的硫化鐵,中層是液態(tài),核心可能是固態(tài)。

就目前所知的信息,金星的內部結構與地球十分相似。不愧是地球的 “好兄弟”。

火星半徑大約是3300km。其擁有一個高密度的核心,可能半徑為1500~2100km。包裹著核心的是一層1240~1880km厚的巖石地幔?;鹦堑牡貧ご蠹s10~50km厚,由鐵,鎂,鋁,鈣,鉀等元素組成。

木星主要由氫和氦組成。表面就是氫氣和氦氣形成的大氣。往深處走因為巨大的壓力,氫和氦會呈液態(tài)。有理論認為,在木星的更深處,氫的電子會因為高溫高壓而被剝離,由于木星的自轉會因此形成強大的電流以維持木星當前強大的磁場。至于木星的核心組成目前還不得而知,推測其可能由鐵和硅的礦物組成,溫度可達5萬攝氏度。

和木星類似,土星主要由氫和氦構成。其核心可能是金屬鐵和鎳,核心外包裹著一層高密度的巖石和冰塊。往外是氫和氦的液態(tài)海洋,最后是氫和氦形成的大氣。

因為距離甚遠,這兩個行星的觀測數(shù)據(jù)相對來說要少很多,知道的也少很多。這兩個星球可能都是一個80%質量由固態(tài)或液態(tài)的水、甲烷、氨氣所組成的大冰球,同時有一個很小的巖石核心。

隨著人類科技的發(fā)展,隨著儀器的精度不斷提高,我們能夠越來越精準地觀測太陽系內的各個天體,也能發(fā)現(xiàn)更多的細節(jié)。近年來火爆的引力波測量理論上也可以用來對各個行星的引力場進行更精確的測量,只不過是技術和成本的問題。我們對太陽系觀測的越深入,也就能對我們星系的演化歷史掌握的更清楚,大概也就能更好的回答出“我們從何而來”這樣的問題。