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通过将引力数据与土星环震的观察数据相连系,提供了对土星内部结构的新认知 | 图源:pixabay.com

- 导 读 -

行星的核藏着它们是若何形成和演化的隐秘。而最近,天文学家们发现土星的核可能占到其半径的60%,而且还不像地球一样有清晰的界线。这意味着什么?天文学家又是若何研究看不见摸不着的行星核的?

撰文 | 蔡�杨(亚利桑那大学理论天体物理博士在读)

责编 | 王一苇

美国东部时间8月16日《自然・天文学》(Nature Astronomy)上揭晓的一篇论文指出,土星环的震荡更新了人们对于土星内部结构的认知。卡西尼号土星探测器的数据显示,土星有一个缺乏清晰界限的弥漫核,这一发现限制了土星形成和演化的可能方式。[1]

巨行星的内部结构无法直接观察,天文学家们通常需要借助绕其旋转的探测器,再研究其引力场的详细构形来确定结构。然而,行星核(行星最中央部门)对行星引力场造成的扰动十分微弱,这会限制确定其内部结构时所能到达的精度。一样平常以为,土星这个气态巨行星有一个金属核,核周围有一个主要由氢和氦组成的包层。

上述论文作者、加州理工学院教授 Christopher Mankovich 和 Jim Fuller 研究了土星,通过将引力数据与土星环震的观察数据相连系,更新了人们对土星内部结构的认知。

两位研究者发现,土星核的巨细一直延伸至土星半径的约60%,显著大于之前的估算,而且土星核是由夹杂了氢、氦的弥漫物质与重金属配合组成,核与包层之间没有清晰的界线。这些信息给土星自己的演化历史提供了新的限制条件。[2]

行星核隐含行星演化历史

太阳系中每一个行星都存在一个焦点。除此之外,行星的内部通常是一个显著的分层结构。以我们生涯的地球为例,地球的焦点分固态内焦点和液态外焦点,均主要由铁和镍组成。正是液态焦点的流动发生了地磁场,珍爱我们免受宇宙射线辐射。焦点外是一层柔软的地幔再包裹上一层坚硬的地幔,而最外面是一层薄薄的地壳。整个地球的内部就像洋葱一样,剥开一层又一层。[3]

图源 :wikipedia.org

对行星内部结构的研究也有助于展现行星自己的演化历史。

以太阳系为例,早期太阳系就是一个混沌的灰尘盘。在引力作用下灰尘逐渐群集成团,如滚雪球一样平常在绕中央的轨道上 “扫荡”,最后形成原始的行星。

图源 | ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); C. Brogan, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

大量的引力势能在这样的历程中获得释放,同时太阳系早期也有大量的辐射性元素。这些能量最后都酿成了行星的内部热量,让岩石变得柔软甚至于处于液态的熔融状态,这样行星内部的物质就具有了很好的流动性。在引力的作用下,密度低的物质往上浮,密度大的物质往中央下沉。就像你把差异液体夹杂在一起静置一段时间,最终差其余液体会脱离,一种液体占有一层。

图源 | sohu.com

若何剥开你的心?――行星结构研究

1797年,英国科学家亨利・卡文迪许 (Henry Cavendish)――就是丈量出万有引力常数那位卡文迪许,盘算出地球的平均密度约莫是水的5倍多 [4]。到今天,信托任何具有高中物理知识的同伙都能完成这个事情。这密度看上去似乎并不大,但由于地表的岩石密度基本上不会跨越水的三倍左右,可以推测,地球内部的密度要大得多。限于昔时的科技水平,卡文迪许没法更仔细地研究地球内部。之后在1898年,俄罗斯地球物理学家维切特(Wiechert)推测地球的组成与铁陨石类似,以此确立了一个以铁和镍为焦点的地球内部模子 [5]。

真正的突破是在1906年,英国地理学家理查德・迪克森・奥尔德姆(Richard Dixon Oldham)通过对地震波中P波的观察探测到了地球焦点的存在 [6]。之后几十年的地震学的研究辅助科学家清晰简直认了地球的内部结构。地震会在地层中发生两种地震波――横波(S波)和纵波(P波),这两种波在同种介质中流传速率差异,同时这两种波在物质的分界面上也会发生反射和折射。在全球对地震波举行监测就可以推算出地球内部的分层结构。

以是,我们能对地球的结构领会得这么清晰,得益于我们就生涯在地球之上。不外,哪怕是这样,我们至今没法直接对地球的结构举行探测。事实,现在人类最深的钻井――科拉超深钻井 [7],也才不外一万多米深,最多刚刚打穿地壳(地壳的厚度约莫在5~70千米之间)。

对于地球以外的行星,我们基本无法上岸,就只能接纳加倍间接的方式去推测其内部结构。要探测到内部的信息,就一定需要搜集到从内部传出来的信号。既然地震波不能用了,电磁波也无法穿透厚厚的地层,那就只有用万物皆有的引力来搜集信息了。

引力势能的公式是

。然而,这个公式只能用于盘算平均球体之外的引力场。若是是一个不平均的球体,甚至是椭球体,就需要用到更高级的方式。

真空中的引力场知足拉普拉斯方程。给定界限条件,求解这个方程就能获得行星的引力场漫衍。这个方程的解可以用球谐函数睁开,最后获得的效果就是平均球体的引力场外加上无限多修正项。这些修正项实在就是对行星的不平均性的形貌,越高级的项影响越小。现实操作中只需要思量前几项就够了。

那么,只要我们发射探测器对行星周围的引力场举行丈量,凭证数据与方程举行拟合,就能确定修正项的参数,从而确定行星的引力场。凭证引力场的漫衍我们就能大致推测行星的质量漫衍,以此确定行星的内部结构。

好比2004年NASA向水星发射的 “信使号” 探测器就配备了异常周详的仪器用于确定探测器的速率和位置。通过探测到的速率和位置就能算出其受到的引力巨细,再清扫太阳的引力影响就能确定行星的引力场。我们也因此获得了更多的关于水星内部结构的信息。[8]

除此之外,探测行星的磁场,考察外面的火山流动等方式也能获得一部门的内部信息,然则都没有直接观察引力场获得信息那么周全,这里就不逐一赘述了。

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我听到你 “心脏跳动” 的声音――通过对土星环的观察获得的信息

引力场的漫衍对行星焦点的信息并不是稀奇敏感,因此通过引力场漫衍能很好简直定行星靠外的结构,然则对于其内部结构的领会十分模糊。

相对于其他行星来讲,土星有一个特其余地方就是它有一圈由岩石和冰块组成的环。土星自身的引力场固然也会影响环内物质的漫衍。NASA在1997年发射升空的 “卡西尼号”,我想人人并不生疏。那张著名的由土星回望地球的照片即是它所拍摄。“卡西尼号” 在土星环上发现了一些特其余颠簸,这些颠簸就像是水中的涟漪一样在环上流传。经由开端的盘算,这些颠簸不能能是土星卫星的引力摄动造成,只能是土星内部的引力影响而成 [9]。

“卡西尼号”从土星回望地球照片 | 图源:NASA

土星物质种种类型的非平均漫衍能让引力场发生差其余转变,数学上可以用差其余函数来表达差其余漫衍模式,将每种差其余漫衍模式叠加起来就能获得总的引力场漫衍,这就是上面提到过的球谐函数睁开的原理。差其余模式就能让土星的引力场发生差异模式的细小颠簸,这个颠簸就会在土星环上发生密度波,就像水中的涟漪。用观察数据和理论模子举行拟合就能确定土星环上的这些颠簸详细是由何种模式发生的。找出了所有可能的模式,将他们叠加起来就能获得更准确的引力场的信息。连系探测器所观察到的土星的引力场,就能加倍准确简直定土星内部的质量漫衍。

事实上,本文开头提到的论文就是用了这种方式,对土星的内部结构做出了比以前加倍准确的展望。土星内部结构导致的引力场颠簸被土星环纪录下来进而被我们观察到,就似乎是我们 “听” 到了土星 “心脏跳动” 的声音。

上述论文中,作者们最后得出结论――土星的内核弥漫到了土星半径的60%,而且这个焦点可能是逐渐过渡到外层,和外层之间没有异常清晰的界线。

我们都有一颗怪异的 “心”――太阳系其他行星结构研究情形 [3]

水星

连系NASA 2004 年发射的信使号(MESSENGER)探测器的观察,研究者们现在以为水星有一个异常大的内核,约莫占有整个水星半径85%。因此也有人以为水星在演化历程中丢失了大量外壳物质。水星外层主要是以硅为主的地壳和地幔。而水星的 “心” 可能有一个三层结构――最外层是固态的硫化铁,中层是液态,焦点可能是固态。

金星

就现在所知的信息,金星的内部结构与地球十分相似。不愧是地球的 “好兄弟”。

火星

火星半径约莫是3300km。其拥有一个高密度的焦点,可能半径为1500~2100km。包裹着焦点的是一层1240~1880km厚的岩石地幔。火星的地壳约莫10~50km厚,由铁,镁,铝,钙,钾等元素组成。

木星

木星主要由氢和氦组成。外面就是氢气和氦气形成的大气。往深处走由于伟大的压力,氢和氦会呈液态。有理论以为,在木星的更深处,氢的电子会由于高温高压而被剥离,由于木星的自转会因此形成壮大的电流以维持木星当前壮大的磁场。至于木星的焦点组成现在还不得而知,推测其可能由铁和硅的矿物组成,温度可达5万摄氏度。

土星

和木星类似,土星主要由氢和氦组成。其焦点可能是金属铁和镍,焦点外包裹着一层高密度的岩石和冰块。往外是氢和氦的液态海洋,最后是氢和氦形成的大气。

天王星和海王星

由于距离甚远,这两个行星的观察数据相对来说要少许多,知道的也少许多。这两个星球可能都是一个80%质量由固态或液态的水、甲烷、氨气所组成的大冰球,同时有一个很小的岩石焦点。

随着人类科技的生长,随着仪器的精度不停提高,我们能够越来越精准地观察太阳系内的各个天体,也能发现更多的细节。近年来火爆的引力波丈量理论上也可以用来对各个行星的引力场举行更准确的丈量,只不外是手艺和成本的问题。我们对太阳系观察的越深入,也就能对我们星系的演化历史掌握的更清晰,也许也就能更好的回覆出“我们从何而来”这样的问题。

参考资料:

[1]https://www.nature.com/articles/s41550-021-01448-3

[2]Mankovich, Christopher, and Jim Fuller. "A diffuse core in Saturn revealed by ring seismology." arXiv preprint arXiv:2104.13385 (2021).

[3]https://solarsystem.nasa.gov/planets/earth/in-depth/

[4]Cavendish, H. (1798). "Experiments to determine the density of Earth". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 88: 469�479.

[5]Wiechert, E. (1897). "Uber die Massenverteilung im Inneren der Erde" [About the mass distribution inside the Earth]. Nachrichten der K niglichen Gesellschaft der Wissenschaften zu G ttingen, Mathematische-physikalische Klasse (in German). 1897 (3): 221�243.

[6]Oldham, R. D. (1 February 1906). "The Constitution of the Interior of the Earth, as Revealed by Earthquakes". Quarterly Journal of the Geological Society. 62 (1�4): 456�475. doi:10.1144/GSL.JGS.1906.062.01-04.21. S2CID 129025380.

[7]https://www.bbc.com/ukchina/simp/vert-fut-48625167

[8]Smith, David E., et al. "Gravity field and internal structure of Mercury from MESSENGER." science 336.6078 (2012): 214-217.

[9]Hedman, M. M. & Nicholson, P. D. Kronoseismology: using density waves in

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