任务揭示了土星和木星内部的惊人差异

在木星和土星的云层下方几千公里处的物质巧妙地在轨道飞行器上拖曳,露出隐藏的结构和动作。

NASA / JPL /空间科学研究所
任务揭示了土星和木星内部的惊人差异

巧妙利用来自行星航天器的无线电信号,可以让研究人员刺穿隐藏在木星和土星内部的漩涡云,在那里压碎压力将物质转化为地球上未知的状态。 由罗马Sapienza大学的Luciano Iess领导的这项努力将来自美国宇航局的两个探测器 - 土星中的卡西尼号和木星上的朱诺号 - 的信号转换成了这些气体巨星深处的引力变化探测器。

研究人员发现,正在推动一场比较和对比的高风险游戏。 去年发表在“ 自然”中的木星和本周的“土星科学 ”杂志上发表的结果显示,“这两颗行星比我们想象的要复杂得多,”瑞士苏黎世大学的行星科学家Ravit Helled说。 “巨行星不是简单的氢和氦球。”

在20世纪80年代,Iess帮助Cassini开发了一种无线电乐器,它发出了非常清晰的信号,因为它在Ka波段工作,相对没有来自行星际等离子体的噪声。 通过监测信号的波动,该团队计划在1997年开始的航天器土星之旅中搜索来自宇宙的引力波并测试广义相对论.Iess的小组在Juno上安装了类似的设备,该设备于2011年发射,但是这个时间的目的是研究木星的内部。

朱诺每隔53天就会在木星的表面附近掠过,每次传球都会对地球内部产生隐藏的影响,对航天器施加一点点拉力,导致其无线电信号发生微小的多普勒频移。 最初,Iess和他的团队认为,由于环的重力影响,测量这些变化在土星不可行。 但是这个障碍在这十年早些时候消失了,在卡西尼号决定结束任务之后,将飞船发送到一系列被称为大结局的轨道上,这个轨道蘸了环并消除了它们的影响。 因此,Iess及其同事可以利用无线电波动来绘制两个行星上的重力场形状,从而可以推断出内部深处物质的密度和运动。

其中一个目标是探测强大的风的根源,这些风将气体巨头上的云鞭打成不同的水平带。 科学家认为风会像地球上的风一样浅,或者非常深,穿透行星数万公里,预计极端压力会从氢中撕裂电子,将其变成金属导体。 木星的结果是一个难题:每小时500公里的风不浅,但它们到达地球仅3000公里,约为其半径的4%。 土星随后发出了一个不同的谜团:尽管它的体积较小,但其表面风速最高可达1800公里/小时,深度增加三倍,达到至少9000公里。 “每个人都感到惊讶,”Iess说。

科学家们认为这两个发现的解释都在于行星的深磁场。 在地球大气压力的约100,000倍的压力下 - 远远低于产生金属氢的氢 - 氢部分电离,将其转变为半导体。 这允许磁场控制材料的运动,防止其穿过场线。 以色列雷霍沃特的Weizmann科学研究所的行星科学家Yohai Kaspi表示,“磁场冻结了流动,”行星变得僵硬了。 木星有三倍的土星质量,导致大气压力的快速增加 - 大约快三倍。 “这基本上是相同的结果,”卡斯皮说,但刚度在较浅的深度。

Juno和Cassini数据只能得到关于更深处的微弱线索。 科学家们曾经认为,气体巨星的形成与地球非常相似,在从原行星盘上吸取气体之前,会形成岩石核心。 这种庄严的过程可能会产生不同的层次,包括富含较重元素的离散核心。 但朱诺的测量结果通过模型解释,表明木星的核心只有一个模糊的边界,它的重元素逐渐缩小半径。 德国罗斯托克大学的行星科学家Nadine Nettelmann表示,这表明木星可能从一开始就是由汽化的岩石和气体形成,而不是形成岩石核心,然后加入气体。

对于土星来说,这张照片仍然比较模糊。 卡西尼号的数据暗示其核心质量可能是地球质量的15到18倍,重金属元素的浓度高于木星,这可能表明边界更清晰。 但帕萨迪纳加州理工学院的行星科学家,朱诺的联合研究员大卫史蒂文森说,这种解释是暂时的。 更重要的是,卡西尼被土星深处的东西所拖拽,这无法用风来解释,Iess说。 “我们称之为土星引力的黑暗面。” 史蒂文森补充说,无论是什么导致了这次拖船,它都没有在木星上找到。 “这是一个重大成果。我认为我们还没有理解它。”

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的行星科学家克里斯曼曼奇奇说,因为卡西尼的任务以大结局告终,最终导致调查在土星的大气层中被破坏,“不久之后就不会有更好的测量结果”。 但是虽然这些环使重力测量变得复杂,但它们也提供了机会。 由于一些未知的原因 - 也许它的风,也许是它的许多卫星的拉力 - 土星振动。 这些振荡的引力影响将其环的形状微小地扭曲成类似于星系的螺旋臂的图案。 结果是一个可见的振动记录,如地震仪上的痕迹,科学家们可以破译这些痕迹来探测地球。 曼科维奇说,很明显,这些振动中的一些到达深处内部,他已经使用“环形地震学” 。

卡西尼的最后一件礼物可能是为了展示幸运的科学家是如何将戒指作为探针。 来自航天器最终轨道的数据使得Iess的团队能够证明环的质量很小,这意味着它们必须年轻,只有1000万年 - 否则,侵入行星际烟尘 。 卡西尼团队发现,他们继续向土星上下雨,这可能有一天会导致他们死亡。 但就目前而言,他们对这位天然气巨头表现出色,还有更多故事可讲。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注