蔡飏楊

土星的質(zhì)量在太陽系八大行星中排行第二，像它這樣的巨行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法直接觀測，天文學(xué)家通常需要借助繞其旋轉(zhuǎn)的探測器收集信息，再研究其引力場的詳細(xì)構(gòu)形來確定結(jié)構(gòu)。

一般認(rèn)為，土星這個氣態(tài)巨行星有一個金屬核，核周圍有一個主要由氫和氦組成的包層。但是，美國加州理工學(xué)院的研究人員更新了人們對土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。研究發(fā)現(xiàn)，土星核的大小一直延伸至土星半徑的約60%，顯著大于之前的估算。并且土星核是由混合了氫、氦的彌漫物質(zhì)與重金屬共同組成，核與包層之間沒有清晰的界限。這一發(fā)現(xiàn)限制了土星形成和演化的可能方式。

剝開行星的“心”

行星核隱含演化的秘密

太陽系中每一個行星都存在一個核心，而且行星的內(nèi)部通常是一個明顯的分層結(jié)構(gòu)。以我們生活的地球為例，地球的核心分固態(tài)內(nèi)核心和液態(tài)外核心，均由鐵和鎳組成。正是液態(tài)外核心的流動產(chǎn)生了地磁場，保護(hù)我們免受宇宙射線的輻射。核心外是一層柔軟的地幔再包裹上一層堅硬的地幔，而最外面是一層薄薄的地殼。整個地球的內(nèi)部就像洋蔥一樣，剝開一層又是一層。

對行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，有助于揭示行星

研究發(fā)現(xiàn)，土星有一個缺乏清晰邊界的彌漫核本身的演化歷史。

以太陽系為例，早期太陽系就是一個混沌的塵埃盤。在引力作用下，塵埃逐漸聚集成團(tuán)，如滾雪球一般在繞中心的軌道上“掃蕩”，最后形成原始的行星。大量的引力勢能在這樣的過程中得到釋放，同時太陽系早期也有大量的輻射性元素。這些能量最后都變成了行星的內(nèi)部熱量，讓巖石變得柔軟甚至處于液態(tài)的熔融狀態(tài)，這樣行星內(nèi)部的物質(zhì)就具有了很好的流動性。在引力的作用下，密度小的物質(zhì)往上浮，密度大的物質(zhì)往中心下沉。就像你把不同液體混合在一起靜置一段時間，最終不同的液體會分開，一種液體占據(jù)一層。

如何剝開行星的“心”

1797年，英國科學(xué)家亨利·卡文迪許一一就是測量出萬有引力常數(shù)的那位卡文迪許，計算出地球的平均密度是水的5倍多。這密度看上去似乎并不大，但由于地表的巖石密度基本上不會超過水的3倍，可以推測，地球內(nèi)部的密度要大得多。限于當(dāng)年的科技水平，卡文迪許沒法更細(xì)致地研究地球內(nèi)部。之后在1898年，俄羅斯地球物理學(xué)家維切特推測地球的組成與鐵隕石類似，以此建立了一個以鐵和鎳為核心的地球內(nèi)部模型。

真正的突破是在1906年，英國地理學(xué)家理查德·迪克森·奧爾德姆通過對地震波中P波的觀測，探測到了地球核心的存在。之后幾十年的地震學(xué)研究，幫助科學(xué)家清晰地確認(rèn)了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地震會在地層中產(chǎn)生兩種地震波―橫波（S波）和縱波（P波），這兩種波在同種介質(zhì)中的傳播速度不同，同時這兩種波在物質(zhì)的分界面上也會發(fā)生反射和折射。在全球?qū)Φ卣鸩ㄟM(jìn)行監(jiān)測，就可以推算出地球內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)。所以，我們能對地球的結(jié)構(gòu)了解得這么清楚，得益于我們就生活在地球之上。

對于地球以外的行星，我們基本無法登陸，就只能采取更加間接的方法去推測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。要探測到內(nèi)部的信息，就一定需要搜集到從內(nèi)部傳出來的信號。既然地震波不能用了，電磁波也無法穿透厚厚的地層，那就只有用萬物皆有的引力來搜集信息了。引力勢能的公式只能用于計算均勻球體之外的引力場，如果是一個不均勻的球體，甚至是橢球體，就需要用到更高級的方法。

真空中的引力場滿足拉普拉斯方程。給定邊界條件，求解這個方程就能得到行星的引力

行星的內(nèi)部通常是一個明顯的分層結(jié)構(gòu)場分布。這個方程的解可以用球諧函數(shù)展開，最后得到的結(jié)果就是均勻球體的引力場外加無窮多修正項。這些修正項其實就是對行星的不均勻性的描述，越高級的項影響越小。實際操作中，只需要考慮前幾項就夠了。

那么，只要我們發(fā)射探測器對行星周圍的引力場進(jìn)行測量，根據(jù)數(shù)據(jù)與方程進(jìn)行擬合，就能確定修正項的參數(shù)，從而確定行星的引力場。根據(jù)引力場的分布，我們就能大致推測行星的質(zhì)量分布，以此確定行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。除此之外，探測行星的磁場、觀察表面的火山活動等方法，也能獲得一部分的內(nèi)部信息，但是都沒有直接觀測引力場獲得信息那么全面。

“聽”到土星“心臟跳動”的聲音

引力場的分布對行星核心的信息并不是特別敏感，因此，通過引力場分布能很好地確定行星靠外的結(jié)構(gòu)，但是對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解十分模糊。

相對于其他行星來講，土星有一個特別的地方，就是它有一圈由巖石和冰塊組成的環(huán)。土星自身的引力場當(dāng)然也會影響環(huán)內(nèi)物質(zhì)的分布。美國發(fā)射的“卡西尼”號土星探測器在土星環(huán)上發(fā)現(xiàn)了一些特別的波動，這些波動就像是水中的漣漪一樣在環(huán)上傳播。經(jīng)過初步的計算，這些波動不可能是土星衛(wèi)星的引力攝動造成，只能是土星內(nèi)部的引力影響而成。

土星物質(zhì)各種類型的非均勻分布能讓引力場產(chǎn)生不同的變化，數(shù)學(xué)上可以用不同的函數(shù)來表達(dá)不同的分布模式，將每種不同的分布模式疊加起來就能得到總的引力場分布，這就是上面提到過的球諧函數(shù)展開的原理。不同的模式就能讓土星的引力場產(chǎn)生不同的微小波動，這個波動就會在土星環(huán)上產(chǎn)生密度波，就像水中的漣漪。用觀測數(shù)據(jù)和理論模型進(jìn)行擬合，就能確定土星環(huán)上的這些波動具體是由何種模式產(chǎn)生的。找出了所有可能的模式，將它們疊加起來，就能得到更精確的引力場的信息。結(jié)合探測器所觀測到的土星引力場，就能更加精確地確定土星內(nèi)部的質(zhì)量分布。

事實上，美國的研究人員就是用了這種方法，對土星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)做出了比以前更加精確的預(yù)測。土星內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的引力場波動被土星環(huán)記錄下來，進(jìn)而被我們觀測到，就好像是我們“聽”到了土星“心臟跳動”的聲音。

研究人員最后得出結(jié)論―土星的內(nèi)核彌漫到了土星半徑的60%，而且這個核心可能是逐漸過渡到外層，和外層之間沒有非常清晰的界限。

結(jié)合美國發(fā)射的“信使”號水星探測器的觀測，研究者目前認(rèn)為水星有一個非常大的內(nèi)核，大約占據(jù)整個水星半徑的85%。因此，也有人認(rèn)為水星在演化過程中丟失了大量外殼物質(zhì)。水星外層主要是以硅為主的地殼和地幔，而水星的 “心”可能有一個三層結(jié)構(gòu)―最外層是固態(tài)的硫化鐵，中層是液態(tài)，核心可能是固態(tài)。

隨著人類科技的發(fā)展，儀器和精度不斷提高，我們能夠越來越精準(zhǔn)地觀測太陽系內(nèi)的各個天體，也能發(fā)現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)。近年來火爆的引力波測量理論上也可以用來對各個行星的引力場進(jìn)行更精確的測量，只不過是技術(shù)和成本的問題。我們對太陽系觀測得越深入，也就能對我們星系的演化歷史掌握得越清楚，大概也就能更好地回答出“我們從何而來”這樣的問題。

文章來源：“知識分子”微信公眾號（責(zé)任編輯：吳宇）