剥开行星的“心”土星可能有一个更大的核？

□文/蔡飏杨

土星的质量在太阳系八大行星中排行第二，像它这样的巨行星的内部结构无法直接观测，天文学家通常需要借助绕其旋转的探测器收集信息，再研究其引力场的详细构形来确定结构。

一般认为，土星这个气态巨行星有一个金属核，核周围有一个主要由氢和氦组成的包层。但是，美国加州理工学院的研究人员更新了人们对土星内部结构的认知。研究发现，土星核的大小一直延伸至土星半径的约60%，显著大于之前的估算。并且土星核是由混合了氢、氦的弥漫物质与重金属共同组成，核与包层之间没有清晰的界限。这一发现限制了土星形成和演化的可能方式。

行星核隐含演化的秘密

太阳系中每一个行星都存在一个核心，而且行星的内部通常是一个明显的分层结构。以我们生活的地球为例，地球的核心分固态内核心和液态外核心，均由铁和镍组成。正是液态外核心的流动产生了地磁场，保护我们免受宇宙射线的辐射。核心外是一层柔软的地幔再包裹上一层坚硬的地幔，而最外面是一层薄薄的地壳。整个地球的内部就像洋葱一样，剥开一层又是一层。

对行星内部结构的研究，有助于揭示行星本身的演化历史。

研究发现，土星有一个缺乏清晰边界的弥漫核

以太阳系为例，早期太阳系就是一个混沌的尘埃盘。在引力作用下，尘埃逐渐聚集成团，如滚雪球一般在绕中心的轨道上“扫荡”，最后形成原始的行星。大量的引力势能在这样的过程中得到释放，同时太阳系早期也有大量的辐射性元素。这些能量最后都变成了行星的内部热量，让岩石变得柔软甚至处于液态的熔融状态，这样行星内部的物质就具有了很好的流动性。在引力的作用下，密度小的物质往上浮，密度大的物质往中心下沉。就像你把不同液体混合在一起静置一段时间，最终不同的液体会分开，一种液体占据一层。

如何剥开行星的“心”

1797年，英国科学家亨利·卡文迪许——就是测量出万有引力常数的那位卡文迪许，计算出地球的平均密度是水的5倍多。这密度看上去似乎并不大，但由于地表的岩石密度基本上不会超过水的3倍，可以推测，地球内部的密度要大得多。限于当年的科技水平，卡文迪许没法更细致地研究地球内部。之后在1898年，俄罗斯地球物理学家维切特推测地球的组成与铁陨石类似，以此建立了一个以铁和镍为核心的地球内部模型。

真正的突破是在1906年，英国地理学家理查德·迪克森·奥尔德姆通过对地震波中P波的观测，探测到了地球核心的存在。之后几十年的地震学研究，帮助科学家清晰地确认了地球的内部结构。地震会在地层中产生两种地震波——横波（S波）和纵波（P波），这两种波在同种介质中的传播速度不同，同时这两种波在物质的分界面上也会发生反射和折射。在全球对地震波进行监测，就可以推算出地球内部的分层结构。所以，我们能对地球的结构了解得这么清楚，得益于我们就生活在地球之上。

对于地球以外的行星，我们基本无法登陆，就只能采取更加间接的方法去推测其内部结构。要探测到内部的信息，就一定需要搜集到从内部传出来的信号。既然地震波不能用了，电磁波也无法穿透厚厚的地层，那就只有用万物皆有的引力来搜集信息了。引力势能的公式只能用于计算均匀球体之外的引力场，如果是一个不均匀的球体，甚至是椭球体，就需要用到更高级的方法。

行星的内部通常是一个明显的分层结构

真空中的引力场满足拉普拉斯方程。给定边界条件，求解这个方程就能得到行星的引力场分布。这个方程的解可以用球谐函数展开，最后得到的结果就是均匀球体的引力场外加无穷多修正项。这些修正项其实就是对行星的不均匀性的描述，越高级的项影响越小。实际操作中，只需要考虑前几项就够了。

那么，只要我们发射探测器对行星周围的引力场进行测量，根据数据与方程进行拟合，就能确定修正项的参数，从而确定行星的引力场。根据引力场的分布，我们就能大致推测行星的质量分布，以此确定行星的内部结构。除此之外，探测行星的磁场、观察表面的火山活动等方法，也能获得一部分的内部信息，但是都没有直接观测引力场获得信息那么全面。

“听”到土星“心脏跳动”的声音

引力场的分布对行星核心的信息并不是特别敏感，因此，通过引力场分布能很好地确定行星靠外的结构，但是对于其内部结构的了解十分模糊。

相对于其他行星来讲，土星有一个特别的地方，就是它有一圈由岩石和冰块组成的环。土星自身的引力场当然也会影响环内物质的分布。美国发射的“卡西尼”号土星探测器在土星环上发现了一些特别的波动，这些波动就像是水中的涟漪一样在环上传播。经过初步的计算，这些波动不可能是土星卫星的引力摄动造成，只能是土星内部的引力影响而成。

土星物质各种类型的非均匀分布能让引力场产生不同的变化，数学上可以用不同的函数来表达不同的分布模式，将每种不同的分布模式叠加起来就能得到总的引力场分布，这就是上面提到过的球谐函数展开的原理。不同的模式就能让土星的引力场产生不同的微小波动，这个波动就会在土星环上产生密度波，就像水中的涟漪。用观测数据和理论模型进行拟合，就能确定土星环上的这些波动具体是由何种模式产生的。找出了所有可能的模式，将它们叠加起来，就能得到更精确的引力场的信息。结合探测器所观测到的土星引力场，就能更加精确地确定土星内部的质量分布。

事实上，美国的研究人员就是用了这种方法，对土星的内部结构做出了比以前更加精确的预测。土星内部结构导致的引力场波动被土星环记录下来，进而被我们观测到，就好像是我们“听”到了土星“心脏跳动”的声音。

研究人员最后得出结论——土星的内核弥漫到了土星半径的60%，而且这个核心可能是逐渐过渡到外层，和外层之间没有非常清晰的界限。

结合美国发射的“信使”号水星探测器的观测，研究者目前认为水星有一个非常大的内核，大约占据整个水星半径的85%。因此，也有人认为水星在演化过程中丢失了大量外壳物质。水星外层主要是以硅为主的地壳和地幔，而水星的“心”可能有一个三层结构——最外层是固态的硫化铁，中层是液态，核心可能是固态。

随着人类科技的发展，仪器和精度不断提高，我们能够越来越精准地观测太阳系内的各个天体，也能发现更多的细节。近年来火爆的引力波测量理论上也可以用来对各个行星的引力场进行更精确的测量，只不过是技术和成本的问题。我们对太阳系观测得越深入，也就能对我们星系的演化历史掌握得越清楚，大概也就能更好地回答出“我们从何而来”这样的问题。

八大行星中的土星