在探索土星十年后，美国宇航局的卡西尼号任务正处于“盛大谢幕”阶段，这是一系列近距离飞越土星及其星环的行动，最终将于9月15日以探测器自行坠入土星上层大气层的方式自焚而告终。
这种壮烈的结局不仅仅是为了戏剧效果，也是为了确保像土卫六和土卫二这样具有天体生物学意义的土星卫星，不会被可能搭乘卡西尼号从美国宇航局的无尘室一路来到外太阳系的微生物所污染。作为额外的收获，卡西尼号在“盛大谢幕”期间获得的土星及其星环的超近距离特写，也可能让科学家们解开这颗环状行星的一些长期谜团。这颗行星的一天有多长？它的星环有多大？尽管看起来很简单，但这些问题实际上非常复杂，并且对我们理解土星具有深远的影响。只有现在，当它的冒险即将结束时，卡西尼号才能回答它们。
土星的一天究竟有多长？
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您可能会认为，在通过望远镜对这颗行星进行数个世纪的研究以及通过航天器进行数十年的研究之后，科学家们应该确切地知道土星上的一天有多长。您错了。确定一颗岩石行星的一天就像选择一个方便的表面特征（比如一个陨石坑）并测量太阳在其上日出日落所花费的时间一样简单。这种方法不适用于土星和其他气态巨行星，因为它们没有可接近的表面，而且它们的云层景观不断地被风搅动和推动。
为了测量这些世界的一天，科学家们必须观察不断变化的云层之下。通过测量气态巨行星核心处高度压缩的金属氢产生的磁场的自旋，他们可以测量核心的自旋，这对于一个没有地面的世界来说，是最接近一天时间的近似值。“磁场是在[气态巨行星]的内部产生的，”卡西尼号射电和等离子体波科学团队负责人威廉·库尔斯说。“测量周期性和强度，并确定行星内部深处的旋转速率非常简单。”
了解行星旋转需要多长时间是理解其大气层中肆虐的风暴的关键。如果不了解其下方内层的旋转速度，就很难甚至不可能衡量土星风的速度和起源。“速度是相对于某个框架而言的，不幸的是，对于土星，我们没有一个明确定义的框架，”库尔斯说。
太阳系其他气态巨行星的磁场相对于其旋转轴明显倾斜，形成对比，使得磁场的自旋更容易辨别。土星则不同；它的磁场和旋转几乎完美对齐，使其自旋更难破译。尽管如此，美国宇航局的“旅行者”号航天器在飞越该行星期间进行的仔细测量将土星的一天时间定为大约10.7小时——在卡西尼号发射之前，许多科学家都确信这个问题已经解决了。
当卡西尼号到达土星时，情况发生了变化。当它绕行星运行时，航天器显示土星磁场的旋转是变化的，在10.6到10.8小时之间振荡。更重要的是，磁场的自旋出乎意料地不均匀，土星南北极的旋转速率似乎彼此不同。“卡西尼号不仅没有澄清土星的情况，反而提出了许多难题，”库尔斯说。
随着卡西尼号在“盛大谢幕”期间快速进出土星环平面，库尔斯和其他研究人员希望它能发现磁场中的“肿块”，这些区域的磁性强度更高或更弱，类似于地球磁场中存在的那些区域。这些肿块无法从远处发现；航天器必须“非常接近，”他说。如果卡西尼号跟踪其中一个肿块旋转，它或许能够解决一天有多长的问题。“从这个意义上说，这个肿块就像我们看不到的那个陨石坑一样，”库尔斯说。
明亮的星环，模糊的起源
在环绕土星的多组星环中，A环、B环和C环是最大的。A环和C环都薄而模糊，而它们之间的B环则更宽更厚。较小的D环最靠近行星。没有人真正确切地知道这些环有多老，它们包含多少质量或它们的来源——而所有这三个问题的答案都是相关的。“如果你知道其中一个问题的答案，最终，你就会知道所有问题的答案，”卡西尼号红外光谱仪的合作研究员马克·绍沃尔特说。“它们紧密地联系在一起。”
在这三个谜团中，质量是最根本的，也是卡西尼号将直接测量的。当光线穿过时，卫星搅动的小波纹揭示了A环和C环的密度。当与星环的大小配对时，这些密度波使研究人员能够计算它们的质量。但是B环更厚，不允许光线穿过，因此其质量仍然是一个谜。
卡西尼号希望在其最后的飞越期间改变这种情况。当它靠近环运行时，它将向地球广播无线电信号。B环的引力应该会导致信号波长发生极小的变化，使科学家能够直接测量质量。通过确定B环的质量，科学家们或许可以更好地估计星环系统的整体年龄。“关于星环是在45亿年前太阳系的早期形成的，还是更像在1亿年前形成的，一直存在争议，”卡西尼号的参与科学家马修·蒂斯卡雷诺说。
先前的研究表明，土星的星环主要由极其纯净且高反射性的水冰组成。像刚下的雪一样，如果水冰环非常年轻，预计会非常明亮，随着年龄的增长，通过积累的灰尘逐渐变暗。然而，变暗的速率可能不仅取决于灰尘的涌入，还取决于星环的总质量和内部动力学。
在任务的早期，卡西尼号测量了落到星环上的灰尘和其他碎片的速率，但结果令人困惑。简单的推断表明，如果它们有数十亿年的历史，那么几乎原始的星环应该被观测到的灰尘量变暗了，但它们仍然闪闪发光。一种合理的解释是B环的总质量远大于预期，使其能够有效地吸收和隐藏灰尘。卡西尼号跨学科科学家杰夫·库齐将此比作将一滴墨水滴入一品脱的白色油漆中，而不是一个装满油漆的油桶中；小容器中的油漆会变成灰色，但在油桶中，深色的液滴会消失。库齐说，关于质量和流入的物质数量已经争论多年。现在，他说，“卡西尼号即将能够确定这两个数字。” 与“巨大、相对古老的星环”情景相反，可能仅仅是土星的星环很年轻，没有足够的时间被灰尘覆盖。
“我的预测是，我们会发现[B环]根本不大，”星环研究员保罗·埃斯特拉达说。“这基本上会非常有力地证明星环非常年轻。” 埃斯特拉达说，即使星环被证明是巨大的，这仍然可以指向它们的年轻——B环可能只是没有足够的时间展开。
尽管专家目前可能对星环的质量和年龄没有共识，但他们普遍认为，这些星环必定是由一个大型、类似月球的物体被摧毁而形成的。但是，该物体是来自土星系统外部，还是来自内部的某个地方？
在早期，当太阳系充满了行星形成后遗留下来的岩石碎屑时，土星可能会抓住并撕裂一个卫星大小的入侵者，从而形成数十亿年前的星环。对于一个较年轻的星环来说，这种情况不太可能发生，因为大多数大型物体在数十亿年前就消失了，只留下了极少数可以形成星环的物体。
相反，如果星环很年轻，它们可能诞生于土星自己的卫星之一。2016年，SETI研究所的科学家马蒂亚·丘克提出，太阳的引力可能会在土星的卫星轨道中产生不稳定因素，导致一个卫星在几亿年前死亡。
尽管坚韧的卡西尼号航天器注定要灭亡，但它的遗产将在它最后几个小时发回的数据中延续下去。“有很多争议，一旦卡西尼号测量出星环的质量，那么辩论将再次开始，”埃斯特拉达说。