这个秘密已经在众目睽睽之下隐藏了40年。但是，一位资深天文学家的洞察力在一年之内将其全部摆在了台面上，除了利用美国宇航局的哈勃太空望远镜和退役的卡西尼探测器对土星的观测外，还利用了旅行者1号和2号航天器以及退役的国际紫外线探测器任务。

土星庞大的环形系统正在加热这颗巨行星的高层大气。这种现象以前在太阳系中从未见过。这是土星和它的环之间意想不到的互动，有可能为预测其他恒星周围的行星是否也有类似土星环系统的辉煌提供工具。

【资料图】

显著的证据是过量的紫外线辐射，被视为土星大气中热氢的光谱线。辐射的颠簸意味着有东西从外部污染并加热了上层大气。

最可行的解释是，冰环粒子雨点般地落在土星的大气层上导致了这种加热。这可能是由于微陨石的撞击、太阳风粒子轰击、太阳紫外线辐射或电磁力拾起带电的尘埃。所有这些都是在土星引力场的影响下发生的，土星的引力场将粒子拉入行星。当美国宇航局的"卡西尼"号探测器在2017年任务结束时坠入土星的大气层时，它测量了大气层的成分，并证实许多颗粒正从星环中落入。

"虽然星环的缓慢解体是众所周知的，但它对行星的原子氢的影响是一个惊喜。从卡西尼号探测器上，我们已经知道了星环的影响。然而，我们对原子氢含量一无所知。"巴黎天体物理研究所和亚利桑那大学月球与行星实验室的Lotfi Ben-Jaffel说，他是3月30日发表在《行星科学》杂志上的一篇论文的作者。

这是一张显示土星Lyman-alpha隆起的合成图像，是1980年至2017年期间美国宇航局的三个不同任务，即旅行者1号、卡西尼号和哈勃太空望远镜合力探测到的。2017年北半球土星夏季期间获得的哈勃近紫外图像被用来作为参考，勾勒出该行星的莱曼-阿尔法发射。星环看起来比行星本体暗得多，因为它们反射的紫外线要少得多。在星环和黑暗的赤道地区上方，莱曼-阿尔法凸起显示为一个延伸的（30度）纬度带，比周围地区要亮30%。南半球的一小部分出现在星环和赤道地区之间，但它比北半球更暗。在隆起区以北（图像的右上部分），圆盘的亮度随着纬度的变化逐渐下降，朝向明亮的极光区，这里显示的是作为参考的极光区（不按比例）。极光区内的一个黑点代表了行星自旋轴的足迹。

据认为，冰环粒子在特定纬度上的雨点和季节性影响造成了大气的加热，使上层大气中的氢气在隆起区反射更多的太阳光。天文学家对环和上层大气之间这种意想不到的相互作用进行了深入研究，以确定新的诊断工具，估计遥远的系外行星是否有类似土星的扩展环系统。资料来源：NASA，ESA，Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

"一切都由环状粒子在特定纬度层叠进入大气层所驱动。它们改变了上层大气，改变了成分，"Ben-Jaffel说。"然后你也有与大气气体的碰撞过程，这些气体可能正在加热特定高度的大气。"

Ben-Jaffel的结论需要将四次研究土星的太空任务的紫外光（UV）观测档案拉到一起。这包括美国宇航局的两个旅行者探测器的观测数据，它们在20世纪80年代飞过土星并测量了紫外线水平。当时，天文学家们将这些测量结果视为探测器的噪音。2004年抵达土星的卡西尼号任务也收集了大气层的紫外线数据（历时数年）。额外的数据来自哈勃和国际紫外线探测器，该探测器于1978年发射，是美国宇航局、欧空局（欧洲航天局）和英国科学与工程研究委员会的一项国际合作。

但挥之不去的问题是，所有的数据是否可能是虚幻的，或者反映了土星上的一个真实现象。

Ben-Jaffel决定使用哈勃太空望远镜成像光谱仪（STIS）的测量结果，这是拼凑拼图的关键所在。它对土星的精确观测被用来校准来自所有其他四个观测土星的太空任务的紫外线数据档案。他将STIS对土星的紫外线观测结果与多个太空任务和仪器的光线分布进行了比较。

"当一切都被校准后，我们清楚地看到，光谱在所有任务中都是一致的。这是有可能的，因为我们有相同的参考点，来自哈勃，关于几十年来测量的大气层的能量转移率，"Ben-Jaffel说。"这对我来说真的是一个惊喜。我只是把不同的光分布数据绘制在一起，然后意识到它是一样的。"

"四十年的紫外线数据涵盖了多个太阳周期，帮助天文学家研究太阳对土星的季节性影响。通过将所有不同的数据汇集在一起并进行校准，Ben-Jaffel发现，紫外线辐射的水平没有区别。"他说："在任何时候，在地球上的任何位置，我们都可以跟踪辐射的紫外线水平。这指出来自土星环的稳定的"冰雨"是最好的解释。"

"我们只是处于这种环状表征对行星上部大气的影响的开始。我们最终希望有一个全球性的方法，产生一个关于遥远世界的大气层的真正特征。这项研究的目标之一是看我们如何能够将其应用于围绕其他恒星运行的行星。称之为寻找"外环"。"

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