在探索土星十年後，美國宇航局的卡西尼號任務正處於“盛大謝幕”階段，這是一系列近距離飛越土星及其星環的行動，最終將於9月15日以探測器自行墜入土星上層大氣層的方式自焚而告終。
這種壯烈的結局不僅僅是為了戲劇效果，也是為了確保像土衛六和土衛二這樣具有天體生物學意義的土星衛星，不會被可能搭乘卡西尼號從美國宇航局的無塵室一路來到外太陽系的微生物所汙染。作為額外的收穫，卡西尼號在“盛大謝幕”期間獲得的土星及其星環的超近距離特寫，也可能讓科學家們解開這顆環狀行星的一些長期謎團。這顆行星的一天有多長？它的星環有多大？儘管看起來很簡單，但這些問題實際上非常複雜，並且對我們理解土星具有深遠的影響。只有現在，當它的冒險即將結束時，卡西尼號才能回答它們。
土星的一天究竟有多長？
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您可能會認為，在透過望遠鏡對這顆行星進行數個世紀的研究以及透過航天器進行數十年的研究之後，科學家們應該確切地知道土星上的一天有多長。您錯了。確定一顆岩石行星的一天就像選擇一個方便的表面特徵（比如一個隕石坑）並測量太陽在其上日出日落所花費的時間一樣簡單。這種方法不適用於土星和其他氣態巨行星，因為它們沒有可接近的表面，而且它們的雲層景觀不斷地被風攪動和推動。
為了測量這些世界的一天，科學家們必須觀察不斷變化的雲層之下。透過測量氣態巨行星核心處高度壓縮的金屬氫產生的磁場的自旋，他們可以測量核心的自旋，這對於一個沒有地面的世界來說，是最接近一天時間的近似值。“磁場是在[氣態巨行星]的內部產生的，”卡西尼號射電和等離子體波科學團隊負責人威廉·庫爾斯說。“測量週期性和強度，並確定行星內部深處的旋轉速率非常簡單。”
瞭解行星旋轉需要多長時間是理解其大氣層中肆虐的風暴的關鍵。如果不瞭解其下方內層的旋轉速度，就很難甚至不可能衡量土星風的速度和起源。“速度是相對於某個框架而言的，不幸的是，對於土星，我們沒有一個明確定義的框架，”庫爾斯說。
太陽系其他氣態巨行星的磁場相對於其旋轉軸明顯傾斜，形成對比，使得磁場的自旋更容易辨別。土星則不同；它的磁場和旋轉幾乎完美對齊，使其自旋更難破譯。儘管如此，美國宇航局的“旅行者”號航天器在飛越該行星期間進行的仔細測量將土星的一天時間定為大約10.7小時——在卡西尼號發射之前，許多科學家都確信這個問題已經解決了。
當卡西尼號到達土星時，情況發生了變化。當它繞行星執行時，航天器顯示土星磁場的旋轉是變化的，在10.6到10.8小時之間振盪。更重要的是，磁場的自旋出乎意料地不均勻，土星南北極的旋轉速率似乎彼此不同。“卡西尼號不僅沒有澄清土星的情況，反而提出了許多難題，”庫爾斯說。
隨著卡西尼號在“盛大謝幕”期間快速進出土星環平面，庫爾斯和其他研究人員希望它能發現磁場中的“腫塊”，這些區域的磁性強度更高或更弱，類似於地球磁場中存在的那些區域。這些腫塊無法從遠處發現；航天器必須“非常接近，”他說。如果卡西尼號跟蹤其中一個腫塊旋轉，它或許能夠解決一天有多長的問題。“從這個意義上說，這個腫塊就像我們看不到的那個隕石坑一樣，”庫爾斯說。
明亮的星環，模糊的起源
在環繞土星的多組星環中，A環、B環和C環是最大的。A環和C環都薄而模糊，而它們之間的B環則更寬更厚。較小的D環最靠近行星。沒有人真正確切地知道這些環有多老，它們包含多少質量或它們的來源——而所有這三個問題的答案都是相關的。“如果你知道其中一個問題的答案，最終，你就會知道所有問題的答案，”卡西尼號紅外光譜儀的合作研究員馬克·紹沃爾特說。“它們緊密地聯絡在一起。”
在這三個謎團中，質量是最根本的，也是卡西尼號將直接測量的。當光線穿過時，衛星攪動的小波紋揭示了A環和C環的密度。當與星環的大小配對時，這些密度波使研究人員能夠計算它們的質量。但是B環更厚，不允許光線穿過，因此其質量仍然是一個謎。
卡西尼號希望在其最後的飛越期間改變這種情況。當它靠近環執行時，它將向地球廣播無線電訊號。B環的引力應該會導致訊號波長髮生極小的變化，使科學家能夠直接測量質量。透過確定B環的質量，科學家們或許可以更好地估計星環系統的整體年齡。“關於星環是在45億年前太陽系的早期形成的，還是更像在1億年前形成的，一直存在爭議，”卡西尼號的參與科學家馬修·蒂斯卡雷諾說。
先前的研究表明，土星的星環主要由極其純淨且高反射性的水冰組成。像剛下的雪一樣，如果水冰環非常年輕，預計會非常明亮，隨著年齡的增長，透過積累的灰塵逐漸變暗。然而，變暗的速率可能不僅取決於灰塵的湧入，還取決於星環的總質量和內部動力學。
在任務的早期，卡西尼號測量了落到星環上的灰塵和其他碎片的速率，但結果令人困惑。簡單的推斷表明，如果它們有數十億年的歷史，那麼幾乎原始的星環應該被觀測到的灰塵量變暗了，但它們仍然閃閃發光。一種合理的解釋是B環的總質量遠大於預期，使其能夠有效地吸收和隱藏灰塵。卡西尼號跨學科科學家傑夫·庫齊將此比作將一滴墨水滴入一品脫的白色油漆中，而不是一個裝滿油漆的油桶中；小容器中的油漆會變成灰色，但在油桶中，深色的液滴會消失。庫齊說，關於質量和流入的物質數量已經爭論多年。現在，他說，“卡西尼號即將能夠確定這兩個數字。” 與“巨大、相對古老的星環”情景相反，可能僅僅是土星的星環很年輕，沒有足夠的時間被灰塵覆蓋。
“我的預測是，我們會發現[B環]根本不大，”星環研究員保羅·埃斯特拉達說。“這基本上會非常有力地證明星環非常年輕。” 埃斯特拉達說，即使星環被證明是巨大的，這仍然可以指向它們的年輕——B環可能只是沒有足夠的時間展開。
儘管專家目前可能對星環的質量和年齡沒有共識，但他們普遍認為，這些星環必定是由一個大型、類似月球的物體被摧毀而形成的。但是，該物體是來自土星系統外部，還是來自內部的某個地方？
在早期，當太陽系充滿了行星形成後遺留下來的岩石碎屑時，土星可能會抓住並撕裂一個衛星大小的入侵者，從而形成數十億年前的星環。對於一個較年輕的星環來說，這種情況不太可能發生，因為大多數大型物體在數十億年前就消失了，只留下了極少數可以形成星環的物體。
相反，如果星環很年輕，它們可能誕生於土星自己的衛星之一。2016年，SETI研究所的科學家馬蒂亞·丘克提出，太陽的引力可能會在土星的衛星軌道中產生不穩定因素，導致一個衛星在幾億年前死亡。
儘管堅韌的卡西尼號航天器註定要滅亡，但它的遺產將在它最後幾個小時發回的資料中延續下去。“有很多爭議，一旦卡西尼號測量出星環的質量，那麼辯論將再次開始，”埃斯特拉達說。