物理學：卡西尼最後任務階段的結果顯示了行星中有能量的質子！

該圖顯示了土星的質子輻射帶。行星和D形環之間區域的輻射可以在插圖中看到放大，並且在卡西尼號任務的最後任務階段首次觀測到。它是由行星環上銀河系宇宙輻射的發生而產生的。以這種方式產生的質子隨後與土星的氣氛，它的薄D環和它的小環相互作用。圖片來源：MPS / JHUAPL。

大約一年前，一次壯觀的土星潛水結束了美國宇航局的卡西尼號任務 - 並與此一起進行了為期13年的獨特的土星系統研究考察。在任務的最後五個月中，探測器再次進入未知領域：二十二次，它陷入土星行星與其最內圈D環之間幾乎未開發的區域。在2018年10月5日星期五，“ 科學 ”雜誌發表了六篇文章，描述了這個任務階段的第一批結果。

在其中一篇論文中，由德國馬克斯普朗克太陽系研究所和美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室領導的研究小組報告了靠近地球形成的獨特質子輻射帶。由於密集的A，B和C環的存在，該區域幾乎完全與主輻射帶和磁層的其餘部分分離，後者向外延伸。

當太空探測器Cassini於2004年7月1日圍繞土星及其環繞其第一軌道時，在MPS的領導下開發並建造了包括低能磁層測量系統（LEMMS）在內的磁層成像儀器（MIMI）粒子探測器套件。簡要介紹了行星和最裡面的D 環之間的區域。測量結果表明可能存在一群帶電粒子，但其確切的組成和性質仍然模糊不清。在接下來的幾年中，MIMI-LEMMS研究了被土星在其環外強磁場捕獲的粒子，形成了由高能質子和電子組成的主輻射帶。質子輻射帶延伸超過285，000公里進入太空，並受到土星無數衛星的強烈影響，這些衛星將其分為五個區域。“僅僅13年之後，在任務結束前不久，我們就有機會跟進我們在土星的第一次測量，看看是否有一個額外的輻射帶扇區與D環和上層大氣共存。星球，“Elias Roussos解釋說。”

這項為期13年的耐心考驗現已取得成效。在他們目前的科學文章中，科學家描繪了土星周圍質子的全面影象。“ 地球物理研究快報 ”上的兩篇文章闡述了這些發現。

類似於土星的主要質子帶，靠近行星的區域中的質子是由入射的銀河宇宙輻射產生的。當宇宙輻射與土星大氣層或其密集環中的物質相互作用時，它會觸發一系列反應，產生高能質子，隨後被行星的磁場捕獲。

土星在地球附近的磁場強度比主要輻射帶強10倍以上。這使得捕獲效率非常高，質子可以在同一磁場線中保持多年。這迫使他們與D環和土星大氣層不斷相互作用，逐漸失去其全部能量。但由於脆弱D環的密度未知，目前還不清楚這種能量損失的發展速度以及是否可以保持輻射帶。理論建模表明，一個可行的場景可能是MIMI只測量噪聲。

在最後的任務階段，卡西尼探測器沿著橙色軌跡進入土星和D形環之間的區域。觀察到的質子積累延伸穿過D環。雖然在小環D68和D73處質子強度明顯減小，但小環D72幾乎不影響它。雖然卡西尼本身沒有潛入D環系統，但LEMMS獲得了有關其結構的資訊，因為被捕獲的粒子沿磁場線移動（例如用藍色標記）並在與環形材料相互作用後到達航天器。圖片來源：MPS / JHUAPL。

幸運的是沒有發生 - 至少對於質子來說。LEMMS測量揭示了高能質子的穩定積累，這些質子從土星大氣層延伸到整個D環。許多這些質子所具有的能量是極端的：比LEMMS設計的高出10倍以上。“我們不得不挖掘儀器的舊機械圖紙並構建它的新模型，以瞭解它在如此極端的環境中如何測量，”Roussos補充道。

“在D環的外面，土星的A，B和C環顯著密集且更加灰塵，形成了一個有效的62，000公里的屏障，用於捕獲帶電粒子，”Roussos繼續道。這意味著D環的外緣就這個新的質子帶可以延伸 - 並且LEMMS測量證實了這一點。“這將建立完全從磁層的其餘部分隔離輻射帶，” MPS科學家諾伯特·克虜伯博士MIMI-LEMMS團隊的首席研究員，並在研究的共同作者說科學。

該地區在太陽系中是獨一無二的。它提供了在實驗室條件下檢查輻射帶的可能性，因為它的質子是由一個非常穩定的過程產生的，由土星的強磁場引導和控制。在土星的主要輻射帶以及地球和木星的輻射帶中，這些條件是不同的 - 而且要複雜得多。例如，在地球上，來自太陽的高能粒子的可變流入會對輻射帶結構產生強烈影響。

同樣有價值的是LEMMS增加的關於D環系統的新資訊，這對於單獨成像研究來說太微弱了。這個戒指共包含三個窄小環，全部比環的其他部分更亮，並命名為D68，D72和D73。雖然小環D68和D73降低了質子的強度，但位於它們之間的小環D72似乎沒有效果。“儘管D72和D68的小環同樣很亮，但LEMMS測量顯示它們實際上必須非常不同，”Roussos說。

MIMI測量結果還顯示，海拔低於數千公里的次級低能質子輻射帶。當土星的磁層中產生的快速中性氫原子在撞擊大氣層並被充電時被困在行星附近時偶爾會形成這種帶。“這種低空帶的存在表明，土星可變的遙遠磁層可以透過行星密集的環傳播一些最小的資訊，”克虜伯補充道。

在MIMI / LEMMS儀器在土星上度過的13年中，它對地球以外的行星輻射帶進行了最全面的調查之一，甚至幫助發現了未知的環。這些和進一步發現的摘要可以在劍橋大學出版社本月出版的“21世紀的土星”一書中找到。MPS的Norbert Krupp博士是其四位編輯之一。