在遥远的地球人眼中，土星与其环之间的间隙看起来很平静，就像一个精美复杂的结构与另一个结构之间深邃的空旷空间。但在 11 篇新论文中，这些论文诞生于 NASA 最受喜爱的行星科学任务之一的终结，科学家们打破了这种错觉，阐述了一系列在空旷空间中舞动的出乎意料的复杂现象。
这些论文于今日发表在两份重要的科学期刊上，代表了首批利用卡西尼任务所谓的“壮丽终章”数据发表的研究成果。“壮丽终章”是一系列大胆的轨道运行，在此期间，航天器将自身穿梭于土星及其环之间。这些论文共同描绘了一幅详细的图景，展示了行星最内环与其高层大气之间正在发生的事情——令人惊讶、引人注目的现象，例如化合物猛烈撞击行星赤道区域的冰雹，以及仅由行星风和磁场产生的电流。
“我们真的认为它是一个间隙，”NASA 卡西尼任务的项目科学家琳达·斯皮尔克在谈到土星及其环之间的区域时告诉 Space.com。该团队对卡西尼号在其终结期间可能了解到的信息持乐观态度，但这次行动最终产生了她所谓的“比我们想象的更丰富的科学回报”——她甚至将其比作一项全新的任务。[来自 NASA 卡西尼号轨道飞行器的惊人土星照片]
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卡西尼号宇宙飞船总共花费了 13 年时间研究土星及其卫星。但是，当它即将耗尽燃料时，任务背后的科学家设计了一条大胆的轨迹，将航天器送入土星环，然后在其大气层中烧毁。这种销毁确保了系统中潜在的可居住卫星不会感染任何可能搭乘航天器的地球细菌。
但这也能让科学家们从其仪器中挤出更多的数据——并将航天器推向了他们认为可能达到的更远的地方，因为卡西尼号及其仪器都不是为了完成如此不可思议的壮举而设计的。科学家们聚集在一起等待第一次俯冲，想知道航天器是否能存活足够长的时间，甚至开始壮丽终章。
斯皮尔克和其他土星科学家表示，即使在今天（10 月 4 日）发表的论文之后，从数据中筛选出的航天器启示也远未完成。“你基本上看看卡西尼号在过去 13 年中返回的如潮水般的数据，实际上，我们只略微涉猎了数据集的表面，”斯皮尔克说。这项工作帮助科学家们开始了解土星上发生的个别现象。“现在正在发生的下一步是将这些碎片放在一起，形成一个连贯的图景，以查看所有数据集，并询问是否存在一个共同的故事，”斯皮尔克说。
但在那之前，这里先睹为快，了解科学家们已经了解到的关于这颗环状行星的信息。
下雨了，倾盆大雨
一项新的发现是由仪器结果促成的，这些结果非常奇怪，以至于团队内外的科学家最初认为一定出错了。该仪器名为离子和中性质谱仪 (INMS)，可以嗅探出其捕获物质的化学成分。
科学家们特别兴奋地看到这些结果，因为有消息传出，该仪器已经有所发现。“自任务结束以来，关于这些 INMS 结果的讨论很多，”太空望远镜科学研究所的土星科学家邦妮·梅因克告诉 Space.com，她没有参与任何新的研究。“乍一看，这几乎是您不敢相信的事情，作为一名科学家，您必须进行一些直觉检查，”梅因克说。
该仪器拥有良好的记录，在卡西尼号探测土卫六和土卫二等卫星时，它在任务早期收集了关键数据。“然后我们真正开始专注于土星，让它成为任务最后阶段的明星，”西南研究所 INMS 的运营主管丽贝卡·佩里曼告诉 Space.com。“我们已经做了很多工作来完成最初的所有计划，并且真的吹嘘 INMS 一旦我们开始深入大气层，就能够获得一些非常棒的结果。[照片：卡西尼号任务以史诗般的土星跳水结束]
他们曾预计这些结果是对“环雨”质量的测量，科学家们知道这是一种从土星最内环向下落向行星高层大气层的微小粒子涓流——主要是一些氢气和氦气——没什么特别的。
但他们似乎发现的是比他们预期的多得多的物质，来自更奇异的化合物。该仪器不仅发现了氢气和氦气，还发现了一氧化碳、甲烷、氮气和无法识别的有机分子残余物。
其他仪器表明，这场倾盆大雨还包括水冰和硅酸盐颗粒，并表明倾盆大雨是由这些颗粒与土星大气层最高层的相互作用引发的。在整个环结构周围，总计约为每秒 10 吨（9,000 公斤）。
“那里正在发生的复杂性以及涌入的物质数量非常令人惊讶，”INMS 的首席研究员、西南研究所的科学家亨特·韦特告诉 Space.com。而且，这一发现不仅揭示了一个遥远世界中一个有趣的现象——科学家们表示，如果这一发现成立，它可能对我们自己的太阳系及其他星系产生更深远的影响。
韦特说，环雨中化合物的意外多样性可能会影响科学家对大气成分的估计，这反过来可能意味着要调整关于土星及其邻居如何形成和演化的假设。“它可能只是有这个表面，”韦特在谈到土星时说。“[这可能]在引导我们思考形成和演化方面有点具有欺骗性。”
此外，由于物质非常多，新的结果提出了一个难题：所有这些物质从何而来？“这不可能是一个持续的过程，否则环就不会在那里，”梅因克说。它们可能会在数万年内耗尽物质，使土星光秃秃的。“[这篇论文]讲述的真正故事是关于土星环的搅动……环可以长期存在，因为它们不断移动和翻转。”
行星的磁性吸引力
卡西尼号还配备了测量土星磁场的设备。尽管科学家们之前已经研究过磁场，但他们只能在先驱者号和旅行者号等飞掠期间短暂地进行研究，而卡西尼号的壮丽终章让他们比以往任何时候都更深入地了解该磁场。
在这些紧密环绕中收集的测量结果也带来了惊喜。科学家们已经知道，土星的磁场似乎与它自转的轴线非常吻合——这是一个棘手的壮举，因为就任何人可以弄清楚的而言，磁场从定义上讲是由交叉自转产生的。[卡西尼号的辉煌成就：航天器拍摄的最佳土星图像]
但是，对壮丽终章测量结果的一项新分析表明，这两种现象的吻合程度甚至比科学家预期的还要完美。这意味着科学家们必须回到绘图板，试图从磁场和引力数据中找出答案。“我们知道有些奇怪的事情，”伦敦帝国学院的物理学家、该论文的第一作者米歇尔·多尔蒂告诉 Space.com。
她和她的同事认为，可能有什么东西阻碍了科学家们观察土星真正的磁性中心，从而造成了近乎完美的对齐的错觉，并阻碍了他们的理论。“我们还没有得到答案，但无论我们得出什么答案，都将真正改变人们对行星内部结构的理解，”多尔蒂说。
在他们弄清楚发生了什么之前，科学家们将无法精确测量土星自转需要多长时间。“这有点令人尴尬，我们在那里轨道运行了 13 年，但我们仍然无法说出土星上的一天有多长，”多尔蒂说。由于固体表面上既没有固定特征，也没有磁场可以追踪，他们只能估计为 10.7 小时。
对磁场中心的搜寻部分被磁数据中潜伏的另一个惊喜所干扰：一种由磁场与土星高层大气中以不同速率流动的风带相互作用产生的新现象——一种在称为热层的 атмосфер层中荡漾的电流。
以下是它的工作原理：土星被风带包裹着，赤道处的风带移动速度最快，而北部和南部的风带移动速度较慢。当环状磁场结构对齐，使得一端位于赤道带中，而另一端不在赤道带中时，赤道风会拉动其周围带电等离子体粒子，这反过来会扭曲磁场线。
卡西尼号测量的结果是电流强度高达 20 个大型陆地发电厂的总和。作为副作用，该电流还在周围的大气层中产生热量，这可能有助于解释土星长期以来的一个谜。“土星热层的一个谜团是，它比预期的要热，”加州大学洛杉矶分校的磁层科学家、该论文的第一作者克里尚·库拉纳告诉 Space.com。“这提供了一部分答案。”
虽然土星是这里的明星，但结果也可能解释第二个太阳系谜团。“木星的大气层非常湍急，因此应用于木星磁场的相同现象会产生相当大的电流，并会非常迅速地加热热层，”库拉纳说。这包括大红斑，这个巨大的风暴在木星南半球臭名昭著地肆虐，科学家们已经意识到它非常热。[土星上的波浪：来自 NASA 卡西尼号探测器宇宙照片炸弹的图像]
壮丽终章不是终结
这只是今天发表的研究成果的一个例子——反过来，这只是卡西尼号壮丽终章最终将产生的科学洪流的开始。一篇论文重点关注土星大气层中产生极光无线电发射的区域，以试图了解这些无线电波是如何产生的。
在另一篇论文中，一个研究团队确定了一条长期预测但以前未知的辐射带，从行星的高层大气层延伸到其最内环。这意味着它与土星的主磁层完全不同，将带电粒子捕获在上层大气层和内环之间的这片空间中。一项进一步的研究表明，由于庞大环的干扰，这条新的辐射带与其他此类结构相比相当弱。
卡西尼号上的另一种仪器测量了土星电离层中电子的密度，绘制出了两个独立的层。下层在赤道周围分布着较大的中性和带电分子，位于环及其物质洪流之下；上层则分布着稀疏得多的小型带电粒子阵列。
同样帮助识别所谓的环雨中如此多奇怪化合物的 INMS 仪器也使科学家能够计算出卡西尼号飞越的热层大气层的近似温度。这些测量结果的范围为 150 至 200 华氏度（67 至 97 摄氏度）。
另外两篇尚未准备好发表的论文重点介绍了土星环中嵌入的微小卫星和对这颗巨行星进行的重力测量等主题。当然，随着科学家们继续深入挖掘和分析壮丽终章数据以及卡西尼号的其余工作——更不用说该任务的发现将激发的任何后继航天器的观测结果，还有更多的发现有待实现。
“我认为这是一个非常激动人心的时刻，”土星科学家梅因克说，她与任何新的研究都没有关联。“在经历了 13 年的卡西尼号数据之后，最后一点确实是最令人兴奋的，这些东西让我们想要回去，并且真的教会了我们比我们认为我们会学到的更多的东西。”
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