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土衛八(伊阿珀托斯,Iapetus或Japetus)是土星的第3大衛星,同時也是太陽系中的第11大衛星,由喬凡尼·多美尼科·卡西尼於1671年發現,以希臘神話中的泰坦巨人伊阿珀托斯命名。土衛八以其兩半球面巨大的顏色差異而著稱,卡西尼號的發現揭示了該衛星與其它土星衛星有諸如赤道脊等的不同特徵。

1 土衛八 -概述

土衛八(伊阿珀托斯,Iapetus或Japetus,希臘語:Ιαπετός) 是土星已知衛星中距土星第十七近、第三大的一顆衛星,由喬凡尼·多美尼科·卡西尼於1671年發現,以希臘神話中的泰坦巨人伊阿珀托斯命名。土衛八以其兩半球面巨大的顏色差異而著稱。土衛八的公轉軌道距土星 3,561,300 千米, 衛星直徑1460 千米, 質量為1.9739×1021 kg。土衛八密度僅為1.1,其大部分由冰水組成。

土衛八正對公轉和反對公轉的半球完全不同。正轉半球的反照率在0.03到0.05之間,與煤煙一樣暗,反面為1.5,幾乎同木衛四一樣亮。所有的土星衛星,除了土衛八與土衛九外,都處於土星赤道平面。土衛八的傾斜角為15度。

2 土衛八 -發現歷史

土衛八土衛八

1671年10月,喬凡尼·多美尼科·卡西尼在土星的西側發現了土衛八。

1672年初,卡西尼又試圖從土星東側觀測這顆衛星,但是沒有成功。

1672年12月和1673年2月,卡西尼又觀測到了土衛八;但是在這兩個時間段的間隔中間期內,他卻仍然無法在土星的東側觀測到這顆衛星。

1705年,卡西尼使用改進后的望遠鏡在土星東側觀測到了土衛八,發現此時這顆衛星的視星等降低了兩等。卡西尼對此做出了正確的推斷,即土衛八擁有一個較亮的半球面和一個較暗的半球面,同時這顆衛星處於潮汐鎖定狀態,總是保持著同一面面向土星,所以從地球上觀測,在土星西側觀測到的總是土衛八較亮的一面,而在另一側觀測到的總是較暗的一面。後來土衛八的較暗半球即被命名為「卡西尼區」。

3 土衛八 -命名

「土衛八」

土衛八(伊阿珀托斯)以希臘神話中的泰坦巨人伊阿珀托斯命名。

土衛八土衛八

土衛八連同其他三顆土星衛星(分別為:土衛三、土衛四和土衛五)被其發現者卡西尼命名為「路易之星」(Sidera Lodoicea),以紀念當時的法國國王路易十四。不過天文學家仍然遵循習慣將其命名為土衛五。

1789年,科學家又發現了土衛一和土衛二,土星衛星家族隨之擴大,伊阿珀托斯也易名為土衛七。

1848年,海伯利安被發現之後又改名為土衛八。

「Japetus」

土衛八的另外一個常見名稱Japetus由約翰·赫歇爾於其1847年出版的《在好望角天文觀測的結果》中提出。在該書中,赫歇爾提議土星的衛星均以泰坦巨人、克洛諾斯的兄弟姐妹的名字命名,因為克洛諾斯即相當於羅馬神話中的農神薩圖爾努斯—— 土星即以他的名字命名。其形容詞格為Iapetian或Japetian。

地質特徵的命名

土衛八上的地質特徵均以法國史詩《羅蘭之歌》中的人物和地點命名(如查理曼隕石坑和土衛八的明亮地區——隆塞斯瓦列斯區)。唯一的例外是該衛星的陰暗區域——卡西尼區,是以該地區的發現者喬凡尼·卡西尼之名命名的。

4 土衛八 -物理特性

土衛八的密度較低,這表明其可能是由冰和少量(約20%)的岩石成分構成。

整體外形

土衛八的三軸長度為747.1×749×712.6公里,平均半徑為736±2公里。不同於大部分的衛星,土衛八的整體外形並非球形或橢球形,它的赤道部分凸出,而兩極地區凹陷;同時其赤道地區獨特的山脊極高,甚至在遠處觀測都能發現這種地形改變了這顆衛星的形狀。這些特徵使得土衛八看起來更像核桃形。

土衛八曾經遭受過猛烈的隕石轟擊,卡西尼號在其暗面發現了數個大規模的隕石坑,其中至少有5個直徑超過了350公里。土衛八最大的隕石坑是特吉斯隕石坑(Turgis),直徑達580公里,它的坑緣十分陡峭,其中的部分山崖高達15公里。

赤道脊
土衛八赤道脊的特寫鏡頭

土衛八的赤道脊位於卡西尼區中心,長度約1300公里,寬度為20公里,高度達13公里。人們在卡西尼號於2004年12月31日拍攝的照片中發現了這一地形。該赤道脊的一部分甚至高出周圍平原地形達20公里。

赤道脊由多種複雜地形構成,包括獨立的山峰、長度超過200公里的懸崖和由三段距離很近的平行山脊構成的地形單元。在明亮的隆塞斯瓦列斯區則不存在赤道脊,取而代之的則是赤道地區一系列高度達10公里的獨立山峰。赤道脊地形遭受過猛烈的轟擊,這證明其地質年代已經十分久遠。這種近赤道的突出地形使得土衛八的外形呈核桃狀。

明暗區

17世紀時,卡西尼發現他只能在土星的西側觀測到土衛八,而從來無法在東側觀測到這顆衛星。他準確的推斷出土衛八是圍繞土星公轉的同步自轉衛星,同時它的一面要比另一面暗得多。後來這個推斷被更大型的望遠鏡所證實。

土衛八兩個半球亮度差別巨大。其同軌道方向的一面較暗(反照率為 0.3-0.5),略帶紅棕色;另一面的大部分則較為明亮(反照率為0.5-0.6,接近土衛二)。所以逆軌道方向一面的星等達到了10.2等;而同軌道方向一面的星等大約為11.9等——超出了17世紀最好的望遠鏡的可辨別範圍。土衛八的這種明暗表面類似於道教中的太極圖以及網球的表面。其暗面被命名為卡西尼區,明面被命名為隆塞斯瓦列斯區。

2007年9月10日,卡西尼號從距離1640公里處飛掠過土衛八,發現該衛星的明暗兩面都遭受了猛烈的轟擊。它還發現構成卡西尼區和隆塞斯瓦列斯區之間過渡區域的分散的明暗色塊面積很小,甚至小於卡西尼號所拍照片的最高的30米解析度。土衛八上的低洼地形都為暗色物質所填充,隕石坑的隆起坑坡上則覆蓋著亮色物質。從卡西尼號的雷達成像圖和很小的流星即能在覆蓋層之下的冰層中形成撞擊坑的狀況推斷,這層覆蓋物質很薄,在某些地區只有數十厘米厚。 

卡西尼區
土衛八卡西尼區

美國航空航天局的科學家們相信暗色物質是土衛八表面冰體升華之後殘留下來的粗屑,並由於暴露在陽光中而進一步變黑。

土衛八的自轉周期長達79個地球日(等同於其公轉周期,是土星衛星系統中自轉周期最長的),因此它可能擁有土星衛星系統中最高的向日面溫度和最低的背日面溫度;在陰暗的卡西尼區的近赤道地區,暗色物質的吸熱作用將會造成其日間溫度達到128開爾文度,而明亮的隆塞斯瓦列斯區的平均溫度則為113開爾文度。溫度的差別意味著卡西尼區的冰體更容易升華,並最終在隆塞斯瓦列斯區重新凝結,特別是在溫度最低的極地地區。從地質時間尺度上考慮,這種作用將會進一步使卡西尼區變暗,使隆塞斯瓦列斯區和極地地區更亮。卡西尼區暴露的冰體的逐漸損耗推動了一個熱量正反饋過程的形成,最終導致明暗面反照率的更大反差。

溫度

暗面赤道地區的表面溫度為130開爾文度,這種高溫部分由土衛八的長自轉周期造成。明面吸收的陽光較少,所以溫度只達到了100開爾文度。

5 土衛八 -軌道

土衛八土衛八的軌道(紅色標記)

土衛八的軌道有些微異常。雖然它是土星的第三大衛星,但是它離距土星第二遠的大衛星——土衛六十分遙遠。同時在規則衛星中它的軌道傾角最大;只有外層的不規則衛星,如土衛九擁有更大的軌道傾角。造成這種現象的原因未知。

由於距離遙遠,且軌道傾角大,所以土衛八是唯一一顆可以清楚看到土星環的大衛星;而其他內側大衛星則正對著土星環的邊緣,因此很難觀測到這一構造。從土衛八上觀測,土星的視角達到了1°56' (是地球上觀測到的月球視角的4 倍)。

6 土衛八 -探測

卡西尼號曾多次從中距離對土衛八進行觀測並拍照。但是由於其軌道的緣故,很難進行近距離觀測。2007年 9月10日,卡西尼號曾在距其1227公里之外進行了一次近距離飛掠。

7 土衛八 -研究成果

隱形光環
土衛八光環

2009年10月8日,美國航空航天局(NASA)的科學家發現土星周圍存在一個「隱形」的巨大光環,這個光環可以容納10億個地球。

NASA噴氣推進實驗室研究認為,該光環平面與土星主光環面成27度傾角,該光環內側距離土星約595萬公里,寬度約1190萬公里。它的直徑相當於300倍土星的直徑。組成光環的塵埃溫度很低,僅有零下193℃,但卻散發出熱輻射。NASA斯皮策太空望遠鏡正是捕捉到這些熱輻射,才發現了這個巨大的光環。

由於土星衛星「菲比」的軌道穿越該光環,因此科學家認為,光環內的冰和塵埃來自於菲比與彗星的碰撞。而光環的發現也可能對解釋土衛八一面黑一面白的外觀問題帶來幫助。科學家推測,光環內的塵埃飛濺到土衛八表面上,形成了土衛八上的黑色區域。

大規模滑坡
土衛八上的崩塌地形
土衛八上的崩塌地形

繼科學家在火星上發現滑坡現象之後,土衛八也發現了滑坡現象。並且在土衛八上,滑坡並不像地球上那樣只是山石小規模的沿著山坡下滑,而是大範圍碎屑體的崩塌。這種現象被稱為「高速遠程滑坡」(long-runout landslides),是一種滑動距離長,滑后衝擊力大的滑坡類型。

造成土衛八上大規模滑坡的原因,有些科學家認為是水的作用(如地下水滲出),潮濕或飽和的土壤。滑坡體下方含有被封住的空氣或承壓的氣體導致滑坡產生。

2012年3月,科學家麥克凱農研究認為,土衛八的密度很低,這顯示它的組成成分中很大一部分是冰,岩石物質可能只佔到其總質量的20%左右。麥克凱農認為:「看起來似乎需要一種液化或者包含液體在內的機制起作用,而如果水冰受到足夠的熱量就會融化,減少摩擦力和粘合力,造成滑坡的發生」。科學家所觀測到的現象,尤其是那些呈現葉片狀的平滑滑坡體,和地球上的流變流體非常相似,如熔化的岩漿或呈現流體的泥石流。因此,在隕石坑或盆地邊緣峭壁岩層中含有的水冰由於某種原因受到加熱,這種加熱機制或許來自岩體顆粒間的相互摩擦,於是水冰發生局部融化,造成岩體滑移。這種解釋也有待進一步研究確認。

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