新研究加深了我们对土星核心的理解。
研究表明，它是冰、岩石和金属流体的混合物，即科学家所称的“模糊”核心。
研究人员利用土星环中的涟漪来辅助其研究和观测。
正如地震使我们的星球发生震动一样，土星内部的振荡使这颗气态巨行星产生极其轻微的晃动。这些运动进而在土星环中引发涟漪。
在一项已被期刊接收的新研究中，《Nature Astronomy》，两位加州理工学院的天文学家分析了这些泛起涟漪的土星环，以揭示关于土星核心的新信息。为开展该研究，他们使用了NASA“卡西尼”号探测器采集的较早数据。该探测器绕这颗带环巨行星运行了13年，随后于2017年坠入该行星大气层并解体。
研究结果表明，该行星的核心并非如先前某些理论所提出的那样是坚硬的岩石球，而是由冰、岩石和金属流体构成的弥散混合体，即科学家所称的“模糊”核心。分析还显示，该核心延伸至行星直径的60%，这使其比此前的估计大得多。
“我们利用土星环作为一台巨型地震仪，来测量这颗行星内部的振荡，”合著者Jim Fuller，加州理工学院理论天体物理学助理教授。“这是我们首次能够以地震学方法探测气态巨行星的内部结构，而结果相当令人惊讶。”
“对土星环涟漪的详细分析，是一种非常巧妙的地震学方法，可用于推断土星核心的特征，”加州理工学院地震实验室矿物物理学威廉·E·伦纳德教授珍妮弗·杰克逊（Jennifer Jackson）说道。她未参与该研究，但利用不同类型的地震观测来了解地球核心的成分，并有望在未来探测金星上的地震事件。
该研究的第一作者是克里斯托弗·曼科维奇（Christopher Mankovich），他是行星科学领域的博士后研究助理，在Fuller的课题组工作。
这些发现为土星的模糊核心提供了迄今最有力的证据，并与NASA“朱诺”号任务的最新证据相吻合，后者表明气态巨行星木星可能也拥有类似的稀释核心。
“模糊核心就像一团淤泥，”曼科维奇解释道。“随着越靠近行星中心，行星内的氢气和氦气就逐渐与越来越多的冰和岩石混合。这有点像地球海洋的某些区域：随着深度不断增加，盐度也随之升高，从而形成一种稳定的结构。”
土星的振荡可能在其环中激起涟漪，进而可将土星环用作地震仪来研究土星内部，这一设想最早出现于20世纪90年代初的研究中，提出者为马克·马利（Mark Marley，1984年获学士学位）和卡罗琳·波尔科（Carolyn Porco，1983年获博士学位），后者后来成为卡西尼成像团队的负责人。该现象的首次观测由马特·赫德曼（Matt Hedman）和P.D.尼科尔森（P.D. Nicholson，1979年获博士学位）于2013年完成，他们分析了卡西尼号采集的数据。天文学家发现，土星C环中包含多个由土星引力场波动驱动的螺旋图案，且这些图案不同于由行星卫星的引力相互作用在环中引起的其他波动。
如今，曼科维奇和Fuller分析了环中的波纹图样，以构建土星晃动内部结构的新模型。
“土星始终在震动，只是非常细微，”曼科维奇说道。“行星表面每一到两小时就移动约一米，就像一个缓慢泛起涟漪的湖面。如同地震仪一样，土星环能够捕捉引力扰动，环中的颗粒便开始晃动起来，”他说道。
研究人员表示，观测到的引力涟漪表明，土星深部内部虽然整体在晃动，但由稳定的分层结构组成，这些层形成于较重物质沉降至行星中部、并停止与其上方较轻物质混合之后。
“要使行星引力场以这些特定频率振荡，其内部必须是稳定的，而这只有在冰和岩石的比例随着向行星中心深入而逐渐增加的情况下才可能实现，”Fuller说道。
研究结果还表明，土星核心的质量是整个地球的55倍，其中17个地球质量为冰和岩石，其余部分为氢和氦的流体。
未参与本次研究的赫德曼表示：“克里斯托弗和Jim能够证明，某一特定环结构提供了有力证据，表明土星核心极其弥散。我很期待了解土星产生的其他所有环结构还能告诉我们关于这颗行星的哪些信息。”
此外，这些发现对现有的气态巨行星形成模型提出了挑战。现有模型认为，岩质核心先形成，然后吸引大量气体包层。如果行星的核心确如该研究所示是模糊的，那么行星可能是在形成过程的更早阶段就已吸纳了气体。
《Nature Astronomy》研究题为“A diffuse core in Saturn revealed by ring seismology”，由Rose Hills Foundation和斯隆基金会（Sloan Foundation）资助。
