土星环的冰雨如何造成大气层的“神秘热点”
这张土星的合成图像显示了一个莱曼–α–核球——北半球的明亮带——由于氢气过剩。(北极颜色最亮的部分是极光区。)多个行星探测任务已经在土星上发现了过量的氢。科学家们认为，来自土星环的稳定冰雨加热了上层大气，使那里的氢反射更多的特定波长。图片来自NASA/ ESA/ Lotfi 本·查飞尔 (IAP & LPL)。
土星以其丰富的光环系统而闻名，你甚至可以仅仅通过一个小型望远镜看到土星的光环。天文学家说，这些环比看起来更有活力。但是他们也表明，冰冷的土星环颗粒像雨点一样落在土星上，加热了土星的高层大气。在分析了美国宇航局四次太空任务中收集的40年来的土星观测数据后，他们得出了这一结论。哈勃太空望远镜的观测帮助将所有在紫外线下收集的证据联系在一起。这些结果可能有助于天文学家了解系外行星是否有星环系统。虽然我们观测不到遥远的行星环，但遥远行星的紫外光谱可能会提供线索。
一个历经40年的发现
这个秘密已经在众目睽睽之下隐藏了40年。但是，一位资深天文学家在一年之内会使其全部公之于众。巴黎天体物理研究所和亚利桑那大学月球与行星实验室的鲁特非·本·查飞尔除了利用美国宇航局的哈勃太空望远镜和退役的卡西尼探测器对土星的观测外，还利用了旅行者1号和2号航天器以及退役的国际紫外线探测器任务的数据。
研究表明，来自土星环的冰 “雨 “正在加热这个气体巨行星的大气层，这是在我们的太阳系中以前从未发现过的现象。这是土星和土星环之间意想不到的相互作用，可能会为预测其他恒星周围的行星是否也有类似土星这种丰富的光环系统提供一个工具。
证据是过量的紫外线辐射，科学家将其视为土星大气中热氢的光谱线。辐射的增加意味着有什么东西正在从外部污染和加热上层大气。
来自土星环上的雨
.这种升温最可能的原因是冰环粒子落到了土星的大气中。 也许是因为微小的太空陨石、太阳风的撞击、来自太阳的紫外线或者是磁力抓住了带电尘埃的缘故。.这一切的发生都是因为在土星引力场的影响下，引力把粒子拉进了土星 。
2017年，在美国宇航局的卡西尼号探测器用俯冲到土星的大气层的方式结束任务的同时，它检测了空气成分，证实了大量粒子来自于土星环。本·查飞尔是2023年3月30日发表在同行评议的《行星科学杂志》上的一篇论文的主要作者 。他说：“虽然我们已经从卡西尼号探测器中了解了土星环的影响，但发现它们对行星氢原子的影响却是十分震撼的。我们之前对氢原子的含量一无所知。其实所有的一切都是由环状粒子驱动的，这些环状粒子在特定纬度层流到大气中。它们改变了上层大气，改变了组成。然后这些与大气气体的碰撞过程可能会加热特定高度的大气。
一个透过紫外线的观察结果
本·查飞尔的结论需要将研究土星的四次太空任务的档案紫外线(UV)观测资料汇总在一起。包括了美国国家航空航天局的两个旅行者号探测器在20世纪80年代飞越土星并测量出过剩的紫外线的观测结果。但是在那时，天文学家认为这些测量结果是探测器发出的噪音。卡西尼号于2004年抵达土星，也花费很多年收集了大气层的紫外线数据。其他数据来自哈勃望远镜和由美国宇航局（NASA），欧洲航天局（ESA）和英国科学与工程研究委员会（ the United Kingdom’s Science and Engineering Research Council）共同合作的于1978年发射的国际紫外线探测器。但最大的问题是，所有这些数据是否只是一种幻象，或者它是否真的反映了土星上的真实现象。
解开谜团的关键在于本·查飞尔使用的哈勃太空望远镜成像光谱仪(STIS)的测量结果。科学家们利用它对土星的精确观测来校准来自其他四个观测土星的太空任务的档案紫外线数据。他将光谱仪（STIS）对土星的紫外线观测与多个太空任务和仪器的光分布进行了比较。本·查飞尔说:
当我们校准所有东西时，可以清楚地看到，所有得到的的光谱都是一致的。这是可能的，因为我们有相同的参考点，在过去的几十年里，我们测量了从大气，哈勃望远镜中转移出来的能量速率。这对我来说是一个惊喜。我只是把不同的光分布数据画在一起，然后突然意识到，它们都是一样的。”
土星环上持续不断的冰雨
经过40年收集多个涵盖了多个太阳周期的紫外线数据，天文学家现在可以研究太阳对土星的季节性影响。通过将所有这些不同的数据汇集在一起并进行校准，本·查飞尔发现紫外线辐射水平没有差异。他说：“在地球上的任何位置，我们都可以探测紫外线的辐射水平”
这表明土星环上稳定的“冰雨”是最好的解释。本·查飞尔继续说:
我们才刚刚开始研究行星上层大气的环表征效应。我们最终希望有一种全球性的方法，能够产生关于遥远星球大气的真正特征。这项研究的目标之一是看看我们如何将其应用于围绕其他恒星运行的行星。我们可以把它称为寻找“外环”。
总结:一项新的发现表明，土星环上持续的冰雨影响了这个气体巨星的大气。这一发现可能有助于发现系外行星周围的星环。
BY:EarthSky Voicesand
FY: 不会游泳的小鱼
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