我们该如何给土星光环称重？
土星环是这颗气态巨行星最显著的特征，但是它是什么时候开始形成的呢？根据一项新的研究，土星环可能与恐龙年龄差不多，甚至可能比恐龙更晚出现。
土星环的年龄问题在学术界一直有争议。一些研究人员认为，土星的光环是在大约45亿年前土星第一次诞生时一起形成的，因为当时的太阳系充满了各种微小的冰块。然而，一些研究人员不同意这一点。他们推测土星的光环应该更年轻，也许是因为土星的引力撕裂了一颗经过的彗星或它自己的一颗冰冻卫星。
打破这种情况有一个可行的方法，那就是称土星环的重量，并说出组成土星环的物质的总量。我们已经知道组成土星环的物质是明亮的固态水冰。然而，随着时间的推移，这些晶莹剔透的水冰颗粒将逐渐遭受“太空风化”，并被黑暗的太空尘埃所污染，从而逐渐失去光泽并变得暗淡。然而，如果我们能确切地知道土星环有多少物质，然后观察它们中有多少已经变暗，再加上变黑的宇宙速度模型，我们能不能粗略地估计土星环的年龄？
但这种方法最大的挑战是:我们应该如何衡量光环？
最新的研究工作基于美国和欧洲联合实施的卡西尼-惠更斯土星探测器的数据。从2004年到2017年，这个探测器已经围绕土星运行了13年。这是人类发射的第一个特殊的土星探测器。
“称”土星环
是的，这是这种方法面临的最大问题。在此之前，目前在土星运行的卡西尼飞船已经证实，土星环物质中只有大约1%被“污染”现在，由卡西尼号宇宙飞船项目组成员、意大利罗马大学教授卢西亚诺·伊斯领导的一个研究小组已经聪明地测量了土星环的质量。他们的相关研究发表在1月17日的美国科学杂志上，艾斯本人是该杂志的第一作者。
让我们来看看，他们是怎么做到的？
Ace团队的工作基于美国和欧洲联合实施的卡西尼-惠更斯土星探测器的数据。从2004年到2017年，这个探测器已经围绕土星运行了13年。这是人类发射的第一个特殊的土星探测器。2017年9月，当燃料耗尽时，卡西尼号飞船在地面的引导下，以“自杀”的姿态撞向土星大气层，解体并烧毁，从而结束了任务。当时，美国宇航局称这一壮举为“大结局”
然而，在任务结束之前，卡西尼号探测器还对科学做出了最后的、不可替代的贡献——在地面的精心引导下，它已经22次冲进土星与其最内环之间的狭窄缝隙，并以前所未有的近距离探测了土星高层大气外缘和内环区域的环境。
然而，穿越这一区域还有其他不可忽视的重要意义:简而言之，卡西尼号宇宙飞船之前曾在土星环外运行，它当时感觉到的土星引力场实际上是由土星的质量及其环产生的。然而，当卡西尼号在两者之间经过时，情况发生了变化。土星和它的光环开始在引力场中互相“吸引”。通过这种“牵引”，研究人员可以分别计算土星及其光环的质量，当然，土星光环的“称重”已经完成。
在卡西尼号飞船六次穿越土星环中间区域的飞行中，科学家分析了卡西尼号飞船与地球之间的无线电通信信号，当时飞船距离土星云层顶部2600公里至3900公里。由于航天器和地球之间的相对运动，无线电信号将显示多普勒效应。这有点像看到一辆救护车从远处的路上驶来，然后呼啸着从你身边经过:你会注意到随着救护车的靠近，它的警笛声变得越来越尖锐，而随着车辆逐渐远离你，它的警笛声变得越来越低。这是因为当你接近救护车时，声波的波长被压缩，声音变得尖锐，而声波的波长被拉高，声音变低。同样，无线电波也表现出这种多普勒效应。
然而，这种影响非常微弱，需要极高的测量精度。正如埃斯对媒体所说，“我也感到震惊的是，我们能够如此精确地测量一艘远达13亿公里的宇宙飞船的速度，误差只有几毫米。”
一些探测器以前也做过类似的研究，但是精确度要低得多。例如，在20世纪70年代，美国国家航空航天局的旅行者号探测器测量到土星环的质量约为2.8亿吨，而基于卡西尼号飞船数据的最新估计约为1.54亿吨，而最大的小行星谷神星(现已升级为矮行星)的质量约为93.9亿吨。
总之，根据这些数据，结合纯水冰层变暗的速度模型，研究小组得出结论，土星环形成于大约1000万到1亿年前，这可以翻译成一种更常见的语言:土星环形成于恐龙时代，甚至更晚——你知道，恐龙时代结束于大约6500万年前的白垩纪末期。
更多关于土星的发现
此外，作者在论文中还提到了更多的内容，包括在最后阶段根据卡西尼号的高精度重力场数据估算的土星内部结构。例如，土星赤道附近有一架高速喷气式飞机——我们已经知道它的风速已经达到惊人的每小时1500公里，相比之下，地球上12级台风中心周围的最大风速约为每小时126公里。研究小组进一步发现，这种喷流从土星的大气表面向下流动，并延伸到土星内部至少9000公里处。这个巨大的气流以大约4%的速度围绕土星旋转，比较低的环层速度快。
美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的卡西尼项目科学家琳达·皮尔克评论道:“土星内部深层循环的发现是对土星内部结构理论模型的一次重要改革。现在的问题是，是什么力量导致这个外部快速旋转的环层变得如此之深？这对土星的内部结构意味着什么？”
此外，研究小组还在论文中提到，最新的数据计算表明，土星的岩石核心质量大约是地球质量的15~18倍。这与之前的估计大致相同。