土星光环下的雨，卡西尼号尝了尝
在任务最终阶段，卡西尼号探测器飞行于土星及其光环系统之间。图片来源：NASA（Shea/译）土星上会下雨。每一秒，土星环都会向土星的云层播散大约数百千克的水冰、有机分子和其他微小的颗粒。
在卡西尼号执行任务的最后几周里，它先后22次从土星和它的光环之间穿过，品尝了光环雨，让科学家终于有机会直击土星及其光环间惊艳而复杂的相互作用。
认识这一复杂性，并非只是一项难懂的学术研究，还朝着揭开土星系统最亘古不变的谜题迈进了一步。这个谜题便是——太阳系中最著名的这个光环系统是如何起源的，它的年龄又有多大？了解光环的成分及其播散粒子的速率，可以为了解土星历史提供关键线索。
“是不是我们足够幸运，才刚好生活在这样一个土星拥有华丽光环的时期？”美国科罗拉多大学的肖恩·徐（Sean Hsu）问道，“如果大质量的光环是新近才形成的，它会对土星其他的冰质卫星施加什么样的影响？这个问题想来也很有意思。”
卡西尼号坠毁前的图像，显示了土星的夜晚侧，它会在那里坠入土星的大气层。可以看见，土星的云层被光环反射的光照亮。图片来源：NASA、JPL-Caltech、Space Science Institute
下雨天
有物质会从土星环降落下来，这并不让人意外；几十年来，理论和观测都支持这一论断。但这些物质究竟如何在该系统中运动，有多少会从土星的天空中落下，以及它们会如何改变云顶下方的化学特性，这些问题的答案此前并不清楚。
现在，《科学》杂志上发表的3篇论文报道了土星上光环雨的细节。这些论文采用了2017年底卡西尼号坠入土星前“伟大终章”轨道后期的一系列观测数据。
在从土星及其光环间的缝隙呼啸而过时，卡西尼号的运动速度高达每小时110 000千米——远远超出了星载仪器设计所能应对的上限。对于力图解释这些数据的科学家来说，如此高的速度着实是一项挑战。
“他们为此作了各种努力，最终非常聪明地弄清楚了仪器返回的数据，”NASA的杰克·康奈尼（Jack Connerney）说，“这完全超出了科学家最初的设计和经验。”
2017年9月14日，卡西尼号在坠毁前拍摄到了土星及其光环的华丽影像。图片来源：NASA、JPL-Caltech、Space Science Institute
在这个窄缝中，卡西尼号测量了环的质量、土星的重力及磁场，还“品尝”了数百个光环颗粒。它携带的3台设备迅速研究了这些颗粒，每一台都可以“尝出”颗粒的不同味道。不出意外，结果与预期并不相符。
首先，土星的天空中漂浮着一个意料之外的粒子层，其中纳米尺度的粒子会与土星大气分子发生碰撞，最终向内漂移，沿着土星赤道降落下去。
肖恩·徐说，“在卡西尼进入‘伟大终章’轨道之前，我们完全不知道还有这些粒子存在。”
其他设备发现，下落的光环颗粒中包含有机分子，例如甲烷、丁烷、丙烷，以及一些富含硅酸盐的颗粒。带有强电荷的颗粒，由于会沿着土星的磁力线运动，绝大多数都降落到了土星南半球。其他的颗粒则沿着土星的赤道下落。
根据卡西尼号最新的数据，这幅图显示了土星环雨的化学构成。图片来源：NASA/JPL/SWRI
水冰占据了土星光环的95%～99%，但科学家在光环雨中发现的水，却没有预期的这么多。NASA艾姆斯研究中心的杰夫·库齐（Jeff Cuzzi）对此有一个解释：一个此前未被探测到且紧靠D环的辐射带把冰质颗粒物中的水剥离掉了。根据这个解释，在更靠近土星的地方探测到的粒子很可能是能抵御辐射的物质，例如硅酸盐和有机物。
降雨量
更令人困惑的是，对于有多少物质正在落入土星大气层，3个科学家小组都作出了估计，结果却差别巨大。这很可能是他们是在土星周围不同位置对不同物质进行测量的结果。
一个团队认为，每秒钟约有4.5千克的纳米颗粒正从土星的D环落向土星——这是最低的。另一个团队则发现，光环雨每秒包含了45 000千克的水冰、有机物和硅酸盐粒子——这是最高的。
科学家认为，后者也许是光环物质降落量临时增加所致，很可能源于最近的一次彗星碰撞。但如果这个值是稳定不变的，库齐指出，那就说不通了。光环中并没有足够多的物质，能够维系光环中的颗粒以如此高的速度下降。
库齐说，虽然土星上肯定有光环雨，但现在就尝试用不同的雨量来估算光环的年龄还为时过早。
“原则上，通过测量来自光环的物质量来估计光环的年龄是个很好的想法，”库齐说，“但就像许多的好想法一样，实现起来却很复杂。”
2017年9月15日，卡西尼探测器坠入土星自毁。在它拍摄的最后一批图像中，可见土星的冰质卫星土卫二躲在土星的后面。图片来源：NASA、JPL-Caltech、Space Science Institute
瓦解的卫星
不过，卡西尼号的新结果仍有助于解答另一个谜题：土星环最初是如何形成的？根据共有的成分，目前科学家手头的数据都指向了同一个答案：有一颗卫星或彗星解体了。
此外，库齐指出，土星C环中包含奇怪的富硅酸盐物质，这与有一颗卫星被瓦解所留下迹象相符。在卫星形成和成长的过程中，其内部会被加热，富含硅酸盐的岩石会熔化并沉入核心，而较轻的冰质物质会形成卫星的地幔。
在土星瓦解这颗假想卫星的时候，来自该卫星核心的碎石逗留在较厚的C环中，而冰质且含水的地幔则形成了明亮的A环和B环。
在一个已经相当稳定地存在了数十亿年的系统里，这一事件如何在最近的几亿年里发生，仍是个开放的问题。另一个问题则是，土星究竟如何与这颗被瓦解的卫星相互作用。
“最终的答案还不得而知，”康奈尼说，“但其中许多部分的轮廓已经浮现。”
本文由National Geographic授权果壳翻译。
编译来源
National Geographic, Rain falls from Saturn's rings—and a dying spacecraft tasted it
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