土星的阴影似乎咬掉了著名的土星圆环。这张合成图来自NASA卡西尼号探测器带来的效果图，拍摄于2016年10月。

　　摄影：NASA/JPL-CALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE

　　撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS

　　土星周围有一个精致的土星环系统，美到令人窒息。不过，除了美学价值外，其中还藏着不少科学信息。

　　发表于《天文物理期刊》的一项研究利用这些土星环，解开了一道难题：土星上的一天有多长？答案是：10小时33分38秒。

　　爱荷华大学的物理学家Bill Kurth表示，这一发现很重要，因为它是“太阳系内一切恒星的基本属性”。Kurth参与了NASA的卡西尼号任务，但没有参与此次研究。知道某个星球上的一天有多长，可以帮助破译其重力场及内部结构，不过天文学家用了几十年才弄清楚土星的相关信息。

　　“土星是唯一一个难以测量自转的行星”，地外文明搜索研究所的高级研究科学家Matthew Tiscareno说道。Tiscareno也没有参与此次研究，他解释说，类地行星的表面特征能追踪到，而另外三个气态巨恒星则不然，但它们有倾斜的磁场，随着星球旋转，磁场也会晃动。而这些扰动可以用来计算每颗行星的自转速率。

　　然而，土星的状况不同。这是一个充满气体的世界，打着旋的云一片混沌，天文学家无法准确追踪表面特征。同时，几个环绕土星飞行的航天器已经证实，土星的磁场水平异常，与自转极几乎完全成一条直线。这意味着土星旋转不会带来磁场方面的可测量的变化。

　　太阳系的小军鼓

　　多年来，天文学家一直一筹莫展。加州大学圣克鲁斯分校的天文学与天体物理学专业的研究生Christopher Mankovich，带领研究团队想到了一个办法。

　　土星环从未静止过。它们有时会产生涟漪或波动：通常当轨道卫星经过冰和尘埃附近时，土星环会拉扯它们；这些波动也可能是因为土星神秘内部深处的物质在振荡。如果一个移动物体在行星的重力场中产生了局部变化，那么土星环也会受影响。

　　这有点像小军鼓：主乐器奏响后，小军鼓也会被敲响作为回应。

　　Mankovich解释说：“虽然我们无法听到土星的振荡，但它很像一件乐器。它的音色由整体结构决定，包括大小、形状、成分、温度等等，有一定的振动频率范围。”

　　引发这些波动并不费力，一个质量相当于土星中等大小的卫星的物体在土星内部移动时，部分土星环会来回晃动。如果这种晃动与与土星环的轨道频率相匹配，就会引起共振，把小晃动变成清晰可见的螺旋波动。

　　这些波动的特性取决于它们所经过的物体，以及产生的原因。根据这一想法，Mankovich的 团队建立了一个定制数值模型，用这些波动来推测土星的内部结构。他们的模型不仅弄清了土星的内部机制，还计算出了土星上的一天有多长。

　　Tiscareno称赞研究团队在解决这个悬而未决的难题方面，“细致、可靠”。

　　卡西尼号太空探测器

　　那么，为什么用了这么长时间？Tiscareno告诉我们，早在20世纪90年代初，我们就观察到土星的内部质量和不定行为会引起土星光环的波动。爱达荷大学Matthew Hedman最近领导展开的一系列研究在这个基础上更进一步，发展所谓的“kronoseismology”，即利用土星环上的波动观察土星的内部情况。这一概念最早在1982年提出。

　　James O’Donoghue表示，谜团的最终解决要归功于已经告别世界的卡西尼号太空船。O’Donoghue是NASA戈达德宇宙飞行中心的行星科学家，不过他没有参与此次研究。

　　土星环那微妙的自然色。卡西尼号太空船拍摄于2009年8月。

　　摄影：NASA/JPL-CALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE

　　土卫六，土星最大的卫星，正悬于土星环之上。卡西尼号太空船拍摄于2016年。

　　摄影：ASA/JPL-CALTECH/SPACE SCIENCE INSTITUTE

　　很多航天器都曾造访过土星，但卡西尼号最为钟情，它陪伴了这个巨大的行星13年。天文学家借助各种仪器，以前所未有的高分辨率观测着土星环。O’Donoghue说，卡西尼号带来了地面望远镜“不可能看到”的细节。

　　尽管我们知道这颗气态巨星会导致土星光环的波动，但没人知道究竟是什么东西造成的。预印本网站arXiv.org上的一篇新论文指出，在遥远的过去，土星曾遭遇过大碰撞，而这就像“敲响了钟”，并引发了持续的内部混乱，Mankovich说道。

　　但就目前而言，他说：“土星内部振荡的最终原因仍是一个谜”。