天體物理學家利用土星環中的神秘擺動來研究土星核心

氣體巨星裡有什麼？木星和土星的內部實際上很難探測。但是土星獨特的光環系統被證明是一個很好的工具，可以用來計算它厚厚的雲層下面，一直到核心的密度。

根據對土星最內主環“擺動”的最新分析，這個核心很可能不像目前認為的那樣是一個由鎳和鐵組成的緻密球，而是一個主要由氫和氦組成的“模糊”區域，重元素逐漸混合，延伸到行星半徑的60%，包含大約17個地球質量的冰和岩石。

這一發現發表在預印本伺服器arXiv上，等待同行評審，與最近基於“朱諾號”探測器資料的木星內部發現相似，它可能改變我們對土星早期結構和形成歷史的假設。

我們如何從土星光環中瞭解到這一點？這一切都與土星核心的隆隆聲影響行星外部引力場的方式有關。

聲波和宇宙物體內部的振盪是探測其內部結構的極好工具。我們在地球上這樣做，地震在地球上發出類似的波紋；這些波如何在那裡反彈可以揭示不同的密度，使我們能夠識別出我們從未希望看到的結構。在太陽和其他恆星上，內部聲波表現為亮度波動。

土星是一個不適合用地震儀探測的地方，它也不會經歷亮度波動，但幾年前，科學家們注意到土星C環（土星主環的最裡面）的特徵圖案。

他們的結論是，這些不太可能是土星的衛星產生的，因為這樣的模式是在外環；相反，它們似乎是由行星內部深處的振盪產生的，而這種振盪會影響引力場。

因此，克羅諾茨地震學領域應運而生：透過分析C環中的這些波來研究土星內部。

現在，加州理工大學的天體物理學家克里斯托弗·曼科維奇和吉姆·富勒對一個先前特徵化的內環波進行了新的分析，這種內環波的頻率遠低於既定土星內部模型的預期。他們發現，這種頻率模式對土星內部構成構成有了嚴格的新限制。

他們在論文中寫道：“我們的模型對土星重元素核心的質量和尺寸都有嚴格的限制，即使這個核的稀釋性質需要比傳統的分層模型更細緻的描述。”

基於這些限制，他們推斷，土星核的質量大約是地球質量的55倍，其中包含17個地球質量的岩石和冰，其餘的主要是氫和氦；整個土星的結構是擴散的，而不是嚴格的分層，在土星中心的重元素豐富更大。

這對行星形成模型提出了挑戰。人們認為行星是由自下而上的卵石增生模型形成的，在這種模型中，小石塊被靜電地捆綁在一起，直到行星“種子”足夠大，足以引力吸引越來越多的物質——最終形成一顆行星。

對於像木星和土星這樣的氣體巨人來說，較重的物質被認為會向中心下沉，形成一個固體核，讓較低密度的氣體上升到外層區域。

最近的模型表明材料的分佈更為緩慢；或者，對流混合可能會導致更為漸進的分佈。

即便如此，模糊理論核的形成路徑建模已經證明是一個挑戰，而且很可能需要更復雜的科學來充分理解它是如何發生的。

不過，這可能是本末倒置。這項新的研究是基於一個C環波，再深入一點研究克羅諾茨地震學，可以幫助驗證對土星模糊理論核的解釋。