土星的巨大核心讓科學家重新思考這顆有環行星的形成方式，以及土星如何產生奇怪的均勻磁場。「這比我們想像的要複雜得多。」並未參與此項研究的約翰霍普金斯大學薩賓．史坦利（Sabine Stanley）表示。

土星核心的質量大約是地球的17倍，充滿了氫、氦、冰和岩石的混合物。ILLUSTRATION BY ROBERT HURT, CAL TECH HTTPS://CALTECH.APP.BOX.COM/S/GUXGZ9PFIWJ6ESH73QFKP9R3R7PO66F4

為了仔細研究土星的內部結構，科學家們轉而觀測這顆行星的光環──它就像個地震儀，記錄了這顆氣態巨行星內部的晃動和脈動。研究團隊對土星環中的細微波紋進行解碼，發現土星的核心質量相當於地球的17倍，而且不像預期的那樣，是個不連續的緻密岩石鐵塊。

「要了解行星最深處的任何事物真的很難，尤其是巨行星。」史坦利說：「我們所獲得的任何資訊，都會改善先前的認識。」

現在科學家必須弄清楚，像土星這樣的巨行星如果真有如此混亂的巨大核心，那要如何成長？讓整件事更複雜的是，這項最新研究所得知的土星內部結構，很難解釋這顆行星是如何產生神祕的磁場。

「想要解釋土星磁場的觀測結果非常棘手，由於許多原因，土星的磁場相當詭異。」曼科維奇說：「這是很不尋常的行星內部結構。」

一窺行星內部

土星最為人所知的，就是圍繞著這顆行星運行、閃閃發光的土星環。從遠處看起來，土星環像是個完整的環形，但其實它是由無數冰塊組成的──有些像房子一樣大，有些比鵝卵石還小，而且和土星及土星衛星之間的重力交互作用，也會推動、拉動和改變土星環的形狀。有些土星衛星會在環中劃出縫隙，而有些衛星則會修整土星環的邊緣，使它井然有序。

此外，土星環還記錄著土星內部的運作情形。通常科學家會利用行星重力場的變動，一窺行星表面下方的情形──但這種技術無法穿透像土星這樣的氣態巨行星深處。不過，土星環的確提供了解行星核心深處的窗口。

在1980年代就有行星科學家推測，土星內部的運動可能會在土星的C環產生可觀察到的漣漪。C環隱身在行星附近，既寬且暗。當土星的核心跳動或是內部晃動時，這顆行星會產生脈動。這樣的振盪與土星環粒子產生交互作用，造就所謂的螺旋密度波，也就是C環內的漣漪。

曼科維奇說，這所有的想法「都被證明百分之百正確」。但需要二十多年的時間和數十億美元的太空任務，才得以證實這些預測，。

2013年，科學家研究來自美國航太總署（NASA）卡西尼號（Cassini）太空船的數據──這艘太空船在2004年到2017年間環繞土星運行──觀測到土星環中的第一個地震特徵，並用來推測行星內部的情形。研究團隊創造了「土星地震學」（kronoseismology）一詞，以描述這個新興的研究領域，他們將大部分觀察到的土星環漣漪與行星的內部運動互相關聯。2019年，科學家利用土震學技術，確定土星的自轉週期為10小時33分。

「在這個領域要耐得住性子。」馬克．馬利（Mark Marley ）笑著說；他是土星地震學的先鋒之一，也擔任這項新研究的審查人。「事實證明，這些波紋都確實存在，大約有二十幾個波紋在我們所預測的地方附近出現。」

但至少還有一個神祕的波紋是馬利沒有預料到的──也就是是曼科維奇和同樣來自加州理工學院的吉姆．傅勒（Jim Fuller）用來一窺土星核心情形的那個。

「觀測結果非常明確地顯示，土星一定得要有個漸進式的模糊核心，才能解釋這個多出來的波紋和其他所有波紋，」馬利表示：「這種特殊環波對行星深處的情形非常敏感。」

土星的巨大核心

曼科維奇和傅勒觀察土星環上的波紋，發現土星的核心占了行星的絕大部分。與科學家的預期完全不同，這顆行星的核心是由氫、氦、冰和岩石組成的瀰散湯狀混合物，而不是由石鐵組成的明確核心。如果把土星切成兩半，不會看到像洋蔥、變色硬糖或地球內部那樣層層分明的結構。而是有著模糊界線的核心，潛得愈深，物質就愈稠密。

在土星核心的極端溫度和壓力下，氣體的行為更像是金屬流體，而不是一團空氣。這團奇異物質的混合物，是種難以在地球實驗室複製的組合。曼科維奇表示，當他和傅勒看到描繪出的土星情形是如此奇怪，也曾試圖為土星環中的地震特徵找到別的解釋。

「我們努力嘗試不這麼解釋。」他說，但這篇新研究中有關土星核心的狀況「似乎才能確實詮釋數據。」

雖然結果出乎意料，但這樣的土星核心模型與科學家從土星所收集到的大量重力數據非常吻合，也和美國航太總署朱諾號（Juno）太空船的發現相呼應，這表示木星的核心可能以類似的成分混合而成。

但木星沒有濃厚的行星環系統可以記錄內部的推擠情形。 「我們需要炸毀木星的一個小衛星。」馬利開玩笑說，這樣就能形成一個能夠記錄木星核心脈搏的行星環。

眾多謎團待解

一般來說，我們認為氣體巨行星起源於逐漸聚集的小塊物質；它會變得愈來愈大，直到原行星的重力拉攏附近的所有氣體，但目前仍不清楚這種方式可否製造出像曼科維奇和傅勒觀察到的那種核心。

土星的核心可能在形成後的45億年間發生了變化，慢慢溶解成液態金屬氫或是被其他未知的過程改變。「不過我們還不知道究竟是怎樣。」曼科維奇說。

讓人驚訝的另一點是根據曼科維奇和傅勒的推論，土星的核心並沒有在對流，這表示它不會像預期的那樣轉移熱量──這個觀察結果可能解釋了土星在紅外線波段異常明亮的原因。 「木星現在的亮度與我們預期它在形成後45億年的亮度差不多，但土星太亮了，」馬利說：「因為土星的核心沒有對流，這會減慢冷卻速度，讓土星比原本預期的還要更亮。」

但如果核心不對流，那對行星磁場的形成會是個重大挑戰。通常行星磁場是因行星核心深處旋轉對流的導電流體層所產生的發電機效應而形成，但根據這項最新研究，土星內部的狀況並非如此，占行星直徑60%的核心並沒有對流。科學家現在想弄清楚的是，會不會有層薄薄的液態金屬氫在核心內或核心外側流動。

但即使是這樣，也很難解釋土星特殊的對稱磁場，這與地球及木星傾斜、不規則的磁場不同。有種可能性是在磁力線抵達行星表面之前，有層「氦雨」讓磁力線變得平滑，但研究人員無法對巨大核心如何影響這種過程提出很好的解釋。

「不能用磁場來解釋很難，也不能用發電機模型，而且這是個巨大的行星。」斯坦利說，他正在與曼科維奇和傅勒合作解開土星磁場之謎。「這就是科學有趣的地方。」

想回答這些有關土星的問題，需要仔細審視卡西尼號太空船所收集到的大量資訊，使用超級電腦詳細模擬行星內部的情形，並利用地面上的望遠鏡設計實驗。未來科學家還可以用這些方法來檢驗天王星、海王星等其他行星的行星環，揭露可能記錄在冰冷粒子中的任何祕密。

「那些行星環之中藏著許多謎團，」馬利說：「所以我們想看看那裡是否也發生了一樣的事情。」

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