土星的光环如此壮观，即使通过普通的望远镜也能看到它们。光环主要由水冰构成，包含无数大大小小的粒子，它们在一个薄平面上绕着行星运行。几十年来，科学家们已经知道土星众多卫星的引力牵引会在光环上留下印记。现在，他们发现了一个新的光环雕塑家：行星本身的振荡，这有望深入了解太阳系第二大行星的内部结构。
这一发现源于对土星光环的仔细检查。从最外层到最内层，三个主要光环分别命名为 A、B 和 C。1980 年，当旅行者 1 号飞船飞过时，它在每个环中都发现了类似于黑胶唱片上的凹槽。土星卫星的引力会形成波浪，主要是在 A 环中，因为它是最靠近卫星的环。
然而，在 1991 年，当时在斯坦福大学的保罗·罗森和他的同事使用旅行者号的数据发现了C 环中的波浪，C 环是最靠近行星的环。虽然卫星可以解释其中一些波浪，但没有人知道其他波浪的成因。
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然后在 2004 年，卡西尼号飞船开始绕土星运行，康奈尔大学的马修·赫德曼和菲利普·尼科尔森使用卡西尼号观察穿过 C 环的背景恒星。通过测量光环不同部分吸收多少星光，科学家们详细绘制了六个神秘波的地图。“我们发现土星可能像卫星一样影响着光环，”赫德曼说。正如他和尼科尔森将在《天文学杂志》的未来一期中报告的那样，土星周围六个波的模式速度与土星内部来回晃动并改变其引力场所产生的结果相匹配。
这一发现引起了其他行星科学家的兴趣。“这非常重要，”加州大学圣克鲁兹分校的乔纳森·福特尼说。“它开启了使用地震数据来了解巨行星结构的可能性，这对于太阳和地球来说都非常成功。”
“光环就像一个地震仪，”美国宇航局艾姆斯研究中心的马克·马利说，他于 1990 年因预测土星的振荡会影响其 C 环而获得博士学位。然后，在发现神秘波后，他和当时在亚利桑那大学的行星科学家卡罗琳·波科提出行星的振荡正在产生这些波，这些波的特性与卡西尼号研究的六个波的特性相符。马利说，最近的发现是“了解行星内部结构的一个全新的窗口”。
“长期以来，我一直怀疑你是否能进行这种地震学研究，”加州理工学院的大卫·史蒂文森说，但他仍然认为这一发现是真实的，并指出法国天文学家最近报告了在木星上检测到振荡。“也许我们正处于理解巨行星结构的新方法的边缘。”
波的特性表明，目前关于土星内部的模型大致是正确的。然而，这些波也提出了一个难题。马利和波科的计算表明，光环中的每一个波纹都应该来自土星内部不同类型的振荡——但相反，赫德曼和尼科尔森发现多个波来自同一种类型的振荡。“这没有被预测到，”赫德曼说。“这意味着模型中缺少了某些东西。”
现在，赫德曼和尼科尔森成功绘制了六个土星引起的环波，其他行星科学家将改进他们对行星内部的模型。他们已经知道土星主要由氢和氦组成，它们包围着由冰、岩石和铁组成的核心，但核心的确切重量（据认为大约是 10 到 20 个地球质量）是未知的。
土星的模型对太阳系以外的领域具有重要意义。“我们看到的许多系外行星都是气态巨行星，”赫德曼说。“木星和土星提供了气态巨行星的近距离版本，因此如果我们能够很好地了解这些行星的内部结构，我们就应该能够更好地了解其他巨行星。”
没有人知道其他地方的巨行星是否拥有美丽的光环。天文学家还无法辨别系外行星周围的光环，而太阳系的其他巨行星——木星、天王星和海王星——只拥有微弱的光环。这一观察结果引发了一个有趣的猜想，即像土星一样壮观的光环在银河系中可能很罕见，这将使我们的太阳系成为少数几个拥有如此惊人景象的星系之一。