剝開行星的“心”土星可能有一個更大的核？

□文/蔡飏楊

土星的質量在太陽系八大行星中排行第二，像它這樣的巨行星的內部結構無法直接觀測，天文學家通常需要借助繞其旋轉的探測器收集信息，再研究其引力場的詳細構形來確定結構。

一般認為，土星這個氣態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，美國加州理工學院的研究人員更新了人們對土星內部結構的認知。研究發現，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、氦的彌漫物質與重金屬共同組成，核與包層之間沒有清晰的界限。這一發現限制了土星形成和演化的可能方式。

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，而且行星的內部通常是一個明顯的分層結構。以我們生活的地球為例，地球的核心分固態內核心和液態外核心，均由鐵和鎳組成。正是液態外核心的流動產生了地磁場，保護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。整個地球的內部就像洋蔥一樣，剝開一層又是一層。

對行星內部結構的研究，有助于揭示行星本身的演化歷史。

研究發現，土星有一個缺乏清晰邊界的彌漫核

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，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部熱量，讓巖石變得柔軟甚至處于液態的熔融狀態，這樣行星內部的物質就具有了很好的流動性。在引力的作用下，密度小的物質往上浮，密度大的物質往中心下沉。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，一種液體占據一層。

如何剝開行星的“心”

1797年，英國科學家亨利·卡文迪許——就是測量出萬有引力常數的那位卡文迪許，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，地球內部的密度要大得多。限于當年的科技水平，卡文迪許沒法更細致地研究地球內部。之后在1898年，俄羅斯地球物理學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部模型。

真正的突破是在1906年，英國地理學家理查德·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研究，幫助科學家清晰地確認了地球的內部結構。地震會在地層中產生兩種地震波——橫波（S波）和縱波（P波），這兩種波在同種介質中的傳播速度不同，同時這兩種波在物質的分界面上也會發生反射和折射。在全球對地震波進行監測，就可以推算出地球內部的分層結構。所以，我們能對地球的結構了解得這么清楚，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部結構。要探測到內部的信息，就一定需要搜集到從內部傳出來的信號。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。

行星的內部通常是一個明顯的分層結構

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場分布。這個方程的解可以用球諧函數展開，最后得到的結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，只要我們發射探測器對行星周圍的引力場進行測量，根據數據與方程進行擬合，就能確定修正項的參數，從而確定行星的引力場。根據引力場的分布，我們就能大致推測行星的質量分布，以此確定行星的內部結構。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構，但是對于其內部結構的了解十分模糊。

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。土星自身的引力場當然也會影響環內物質的分布。美國發射的“卡西尼”號土星探測器在土星環上發現了一些特別的波動，這些波動就像是水中的漣漪一樣在環上傳播。經過初步的計算，這些波動不可能是土星衛星的引力攝動造成，只能是土星內部的引力影響而成。

土星物質各種類型的非均勻分布能讓引力場產生不同的變化，數學上可以用不同的函數來表達不同的分布模式，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展開的原理。不同的模式就能讓土星的引力場產生不同的微小波動，這個波動就會在土星環上產生密度波，就像水中的漣漪。用觀測數據和理論模型進行擬合，就能確定土星環上的這些波動具體是由何種模式產生的。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部的質量分布。

事實上，美國的研究人員就是用了這種方法，對土星的內部結構做出了比以前更加精確的預測。土星內部結構導致的引力場波動被土星環記錄下來，進而被我們觀測到，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論——土星的內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。

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

隨著人類科技的發展，儀器和精度不斷提高，我們能夠越來越精準地觀測太陽系內的各個天體，也能發現更多的細節。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行更精確的測量，只不過是技術和成本的問題。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。

八大行星中的土星