土卫四

环绕土星运行的卫星之一

土卫四

土卫四（Dione），又称为“狄俄涅”，是环绕土星运行的一颗卫星。[0]作为太阳系中第15大卫星，其平均半径为562千米，[0]质量约为1.095×1021千克（0.0001834个地球质量），是土星的第四大卫星，自转周期约为2.7天。[3][5][9]土卫四表面主要由冰组成，温度为-187℃，几何反照率为0.998±0.004。[3][7]其内部可能由硅酸盐岩石和水冰组成。[0][5]其表面主要特征为大量撞击形成的地形、冰崖以及线性带状结构。[0][6]土卫四环绕土星运行的距离是377400千米，其环绕周期为2.7天，由于土星的潮汐锁定，土卫四的自转周期与绕土星的公转周期相等。[0]1684年，天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）发现了土卫四，并将其与土卫三、土卫五、土卫八一起命名为“路易之星”。[1][10]1847年，天文学家约翰·赫歇尔（John Herschel）建议以泰坦·克洛诺斯兄弟姐妹的名字命名当时已知的土星卫星，后土卫四被命名为狄俄涅（Dione）。[0][11]

土卫四（Dione），又称为“狄俄涅”，是环绕土星运行的一颗卫星。[1]作为太阳系中第15大卫星，其平均半径为562千米，[1]质量约为1.095×1021千克（0.0001834个地球质量[注1]），是土星的第四大卫星，自转周期约为2.7天。[4][6][10]土卫四表面主要由冰组成，温度为-187℃，几何反照率为0.998±0.004。[4][8]其内部可能由硅酸盐岩石和水冰组成。[1][6]其表面主要特征为大量撞击形成的地形、冰崖以及线性带状结构。[1][7]土卫四环绕土星运行的距离是377400千米，其环绕周期为2.7天，由于土星的潮汐锁定，土卫四的自转周期与绕土星的公转周期相等。[1]

1684年，天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）发现了土卫四，并将其与土卫三、土卫五、土卫八一起命名为“路易之星”[注2]。[2][11]1847年，天文学家约翰·赫歇尔（John Herschel）建议以泰坦·克洛诺斯兄弟姐妹的名字命名当时已知的土星卫星，后土卫四被命名为狄俄涅[注3]（Dione）。[1][12]

1980年11月12日，旅行者2号在距离土卫四24万千米处拍摄了其相关照片。时隔24年，卡西尼号探测器又于2004年12月13日对土卫四展开探索任务。[13][14]2005年10月，卡西尼号探测器以500千米的距离飞越土卫四并拍摄照片。[15]此后该探测器又相继进行了四次飞越土卫四的行动，并在第二次飞越土卫四上空时探测到土卫四上有氧离子存在的迹象。[9][16]随后，便有研究称土卫四存在氧气以及地下海洋，但研究人员还是认为该卫星上存在生命的可能性不大。[9][14][16]

发现

1684年，天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）利用法国巴黎天文台的航空望远镜发现了土卫三与土卫四，他早年还发现了土卫五和土卫八。[2][3][17]而后，卡西尼将这四颗卫星命名为“路易之星”[注2]，以纪念法国国王路易十四。到了十七世纪末，天文学家们习惯上将它们和土卫六称为土星的第一至第五颗卫星。1789年，威廉·赫歇尔（Frederick William Herschel）发现了土卫二后，将编号方案扩展到土卫七。[2][11]

乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（画像）
乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（画像）

命名

土星所属七颗卫星的现代名称均来自天文学家约翰·赫歇尔（John Herschel）[注4]。1847年，赫歇尔建议以泰坦·克洛诺斯兄弟姐妹的名字命名当时已知的土星卫星。[1]因其认为土星的卫星与希腊神话中克洛诺斯的兄弟姐妹有关（克洛诺斯相当于希腊神话中的罗马神土星），而后土卫四被命名为狄俄涅[注3]（Dione）。[1][12]

约翰·赫歇尔
约翰·赫歇尔

基本参数

土卫四的平均半径为562千米，其作为太阳系中第15大卫星，质量约为1.095×1021千克（0.0001834个地球质量[注1]）。其质量比所有已知比其自身小的卫星的质量总和还要大。它的表面主要由冰组成，温度为-187℃，几何反照率为0.998±0.004，与土卫三和土卫二相比它比较暗。其整体密度为1.4781±0.0032克/立方厘米，仅次于土卫二和土卫六，[4][8][10][14] 且自转周期为2.7天，[1]视星等为10.4、[5]轨道离心率为0.0022。[6][7]

土卫四
土卫四

外表特征

土卫四的外表特征为大量撞击形成的地形，例如中度撞击的平原，轻度撞击的平原和断裂区域。其中撞击坑的直径可达100公里。大多数撞击区域常见于始终面向土星的一面，即后半球。而从逻辑上说，卫星背离土星的前半球应该有更严重的撞击坑。有人根据土卫四直径为35公里的撞击坑推测，土卫四可能是近期受到撞击而被旋转至当前位置，但是土卫四是否真的旋转180度，依旧是一个谜。[1]

土卫四上老撞击坑的破裂状态
土卫四上老撞击坑的破裂状态

冰崖

在旅行者号探测器的图像中，土卫四内的断裂区域表现为明亮而细长的条纹，长度达几十到几百英里，通常穿过平原和撞击坑。[1]从2005年开始的卡西尼号探测器飞越观测显示，“细纹”是一座明亮的峡谷冰壁（其中一些高达数百米），而该冰壁的形成可能是由于地壳下沉而引起的裂缝导致的。这些壁垒之所以明亮，也是因为深色物质从墙壁上脱落，露出明亮的水冰才形成的。这些断裂悬崖表明土卫四在过去经历过的构造活动，也可能是土卫二上的虎纹条纹的成熟阶段。[1]

土卫四后半球上的稀疏地形
土卫四后半球上的稀疏地形

在卡西尼号探测器飞越土卫四之前，其他航天器已拍摄到这颗卫星上一处较亮的线条状结构照片，但不清楚它的形成原因。2004年12月，卡西尼号探测器拍摄的照片显示土卫四背面有巨大的裂缝，可以证明这些线条是由地震作用形成的冰悬崖。2005年，卡西尼号探测器飞越土卫四时拍摄了这些悬崖的清晰照片，它显示有些悬崖高达数百米，说明其地震作用还是比较强烈的，也表明其内部具有一定的能量。[14]

线性带状结构

土卫四表面具有线性的带状结构，长达数百公里，但宽度不到5公里。这些带状线段与赤道平行，仅在低纬度地区（北纬或南纬45°以下）可见，土卫五也有类似的特征。这些带状结构比周围的一切都亮，并且可能覆盖了山脊和陨石坑等其他特征，而此点也表明它们相对来说比较年轻。同时，有研究表明这些带状结构的产生可能来自土卫四之外，比如来自土星环、共轨卫星或近距离彗星的物质低速撞击，后导致物质在表面就位的结果。[7]

土卫四与土卫五的线性特征
土卫四与土卫五的线性特征

内部结构

土卫四是土星的第四大卫星，根据其密度，土卫四的内部很可能是硅酸盐岩石和水冰的组合。卡西尼号探测器收集的数据表明，土卫四有一个半径约400公里的岩石核心，周围环绕着约160公里的H2O包层，主要以水冰的形式存在。但一些模型表明，该层的最下部分可能位于内部液态咸水海洋的形式（类似于其轨道共振伙伴土卫二的情况）。[6][18][19]土卫四和土卫二的形状都没有接近流体静力平衡，且土卫四的冰壳厚度变化小于5%，最薄的区域位于两极，那里地壳的潮汐加热程度最高。[19]

轨道性质

土卫四环绕土星运行的平均距离是377400千米，稍小于地月平均距离38.44万千米，其环绕周期为65小时41分钟，约为2.7天。[1][14]土卫四与土卫二处于1:2的平均运动轨道共振状态，即土卫二每绕两圈，而土卫四就绕土星绕一圈。共振还使土卫四的轨道保持较小的偏心率，即0.0022，[20][21]，且相对于土星的赤道，其轨道倾角为0.02°。土卫四的自转周期与公转周期一样长，也是65小时41分钟（约2.7天），因为潮汐锁定，所以它与地球的卫星月球一样是同步自转的，且始终以同一半球面朝向土星。[14][21]而土卫四的自转轴与公转轴之间的交角为0.006°。[9]此外，土卫四还与土卫一也处于共振状态，这些卫星在彼此接近时会略微加速，在彼此远离时会减速，这导致它们的轨道在一系列复杂的变化中略有变化，这有助于将它们锁定在各自的位置上，其中土卫四将土卫二锁定在其自身1/2轨道周期处。[1]

地球、月球和土卫六的大小比较
地球、月球和土卫六的大小比较

土卫四有两颗共轨卫星，即海伦（Helene）与波吕丢刻斯（Polydeuce），它们位于土卫四的拉格朗日点L4和L5内[注5]，分别位于土卫四前方和后方60度。[1]

相关探测

1980年11月，旅行者2号在距离土卫四24万千米处拍摄了其照片。[13]2005年10月11日卡西尼号探测器以只有500千米的距离飞越土卫四并拍摄这些悬崖的清晰照片，它显示有些悬崖高达数百米，说明土卫四的地震作用比较强烈。2010年4月，卡西尼号探测器第二次飞越土卫四上空，它携带的等离子体分光仪[注6]探测到土卫四上有氧离子存在的迹象。[9][15]次年12月，卡西尼号探测器第三次以100千米的距离飞越土卫四上空。2013年5月，美国国家航空航天局（NASA）根据卡西尼号探测器的探测，宣布为科学家提供了土卫四比之前意识到的更加活跃的证据。NASA团队利用地形数据推断，如果土卫四存在像土卫二那样的地下液体海洋，则可以较好地解释与其前半球突出山脊相关的地壳凹陷。[22][23][24]此外，有研究表明这个山脊高度为1至2公里，且此处地壳有0.5公里的褶皱，这褶皱表明冰脊形成时此处的地壳是温暖的。研究人员称这可能是由于地下液体海洋的存在产生了热量，从而形成褶皱。[21]

2015年6月16日，卡西尼号探测器第四次以516千米的距离飞越土卫四，同年8月卡西尼号探测器第五次以474千米的距离飞越了土卫四。[25][26]

卡西尼号探测器拍摄土卫四（颜色被加强）
卡西尼号探测器拍摄土卫四（颜色被加强）

发现氧气

2012年3月2日，英国伦敦大学学院发布公报称，NASA与欧洲合作的卡西尼号探测器发现土卫四上存在氧气。这一发现支持了有关一些有冰覆盖的星球可在宇宙射线作用下形成氧气的理论。同日，美国一个来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究小组也发表声明，卡西尼号探测器于2010年4月飞经土卫四附近时收集了大量数据，通过研究这些数据证实了土卫四的高空存在着稀薄氧气，意味着土卫四上可能存在有机化合物，这是形成生命的基础条件之一。[9][27]根据卡西尼号探测器等离子体光谱仪数据测定，土卫四的分子氧离子密度范围为0.01至0.09/cm3。[28][29][30]

卡西尼号拍摄的土卫四
卡西尼号拍摄的土卫四

土卫四的氧气来源有二，其一是由于土卫四的表面温度较低，覆盖的冰层虽有较强烈的辐射，使其分解为氢气和氧气。但其中的氢气逸散到太空中，而氧气却存留了下来，在土卫四周围形成了一个气体层，但这层气体非常稀薄，不能被称为大气层。其二是因为土卫四上的能量来自土星强大的磁场。当土卫四围绕土星公转时，来自后者磁场的带电离子猛烈撞击在土卫四表面，将表面冰层中的氧剥离出来。这些游离出来的氧气逸散到土卫四的外逸层，随后将逐渐再一次被吹回土星的磁场中。[14]

地下海洋

之前的研究认为，土卫四没有海洋。2016年10月11日有媒体报道，土卫四可能有一个地下海洋，里面充满了液态水。美国《地球物理研究快报》上的一项模拟研究显示，直径1120千米的土卫四将成为继土卫六和土卫二之后第三个被发现拥有地下海洋的土星卫星。据美国太空网报道，这个巨大的海洋可能深藏在土卫四冰壳以下100公里处。研究人员称，土卫四的地下海洋可能直接接触了它的岩石核心。论文作者阿蒂利奥·瑞瓦尔迪尼在比利时布鲁塞尔皇家天文台发布的一份声明中称“海洋与岩石核心之间的接触至关重要，他们的相互作用提供了关键的营养和能量来源，二者都是构成生命的基本成分”。此外，这种海洋可能存在于土星卫星的整个历史中，这说明在土卫四凸凹不平的冰壳之下，拥有让潜在生命扎根和进化的足够时间。这使得土卫四成为航天探测获得的太阳系又一个可能有低级生命的天体。[9][14][31]

参考资料 31

  1. Dione — nasa
  2. Naming the Satellites of Jupiter and Saturn — archive
  3. 巴黎天文台 — 中国大百科全书
  4. The Orbits of the Main Saturnian Satellites, the Saturnian System Gravity Field, and the Orientation of Saturn’s Pole — iopscience
  5. Classic Satellites of the Solar System — oarval
  6. The gravity field and interior structure of Dione — arxiv
  7. Mysterious Linear Features Across Saturn's Moon Dione — onlinelibrary
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. WILLIAM LASSELL AND THE RING OF NEPTUNE: A CASE STUDY IN INSTRUMENTAL FAILURE — adsabs
  11. 参考 11
  12. SATELLITES OF SATURN — adsabs
  13. 她拍下的这张照片，让人类重新思考宇宙和自身 — 科学出版社
  14. 参考 14
  15. Cassini Views Dione, a Frigid Ice World — archive
  16. “卡西尼”探测器发现土卫四上存在氧气 — 央视网
  17. 参考 17
  18. "NASA Astrobiology Strategy" — archive
  19. Enceladus’s and Dione’s floating ice shells supported by minimum stress isostasy — arxiv
  20. 参考 20
  21. A moon once thought to be boring could actually be quite animated, according to a new study analyzing data from NASA's Cassini spacecraft. — nasa
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. Subsurface Structure and Thermal History of Icy Satellites from Stereo Topography — adsabs
  25. Cassini Sends Back Views After Zooming Past Dione — nasa
  26. Cassini to Make Last Close Flyby of Saturn Moon Dione — nasa
  27. 参考 27
  28. Detection of exospheric O2+ at Saturn's moon Dione — onlinelibrary
  29. Magnetic signatures of a tenuous atmosphere at Dione — onlinelibrary
  30. Oxygen envelops Saturn's icy moon — bbc
  31. 土卫四也可能存在地下海洋 — 国家自然科学基金委员会

注释

  1. 1地球质量=5.976x1024千克
  2. 土卫三：特堤斯；土卫四：狄俄涅；土卫五：瑞亚；土卫八：伊阿珀托斯
  3. 狄俄涅这个名字来自希腊女神（或泰坦）狄俄涅，根据某些记载，她是特提斯（克洛诺斯的妹妹）和俄刻诺斯的女儿，荷马将她描述为阿芙罗狄蒂的母亲。
  4. 是威廉·赫歇尔（William Herschel）的儿子
  5. 拉格朗日点（Lagrange point）是在天体力学中平面圆型限制性三体问题的五个特解，又被称为平动点。L4表示领先点，L5表示尾随点。
  6. 这个等离子体分光仪是伦敦大学学院研究人员参与设计和制造的。
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