▲这张示意图展示了土星的多个质子辐射带。
随着“卡西尼”（Cassini）探测器在大约一年前壮观地俯冲入土星地表，这个美国航天航空局（NASA）于13年前针对土星展开启的探索任务圆满收官。在任务的最后5个月里，探测器又一次深入了未知的疆域——它22次进入到位于土星与其最深处的D环光晕之间那个几乎从未被探测过的区域。《科学》（Science）杂志于10月5日刊发了六篇研究论文，从不同方面描述这一任务阶段的初步成果。在其中的一篇论文中，由德国马克斯·普朗克太阳系研究所（Max Planck Institute for Solar System research）和美国约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）应用物理实验室(Applied Physics Laboratory）共同领导的一个研究小组报告说，在离土星地面非常近的上空具有一个独特的质子辐射带。由于土星外围还存在高密度的A、B和C环光晕，这个区域几乎完全与主辐射带以及磁气圈向外延伸得更远的其余部分隔离开来。
当卡西尼号太空探测器2004年7月1日首次进入围绕土星及其光晕运行的轨道时，磁性层成像仪（MIMI）的粒子探测器套件——包括低能磁性层测量系统（LEMMS）——捕捉到土星与最内层的D环光晕之间区域的简短图像。当时的测量结果表明，那里可能存在一个带电的粒子群，但其确切成分和性质仍不清楚。
在接下来的几年里，该仪器探测研究了土星光晕环外的强磁场所捕获的粒子，这些粒子形成了由高能质子和电子组成的主辐射带。这一质子辐射带向太空延伸超过285,000千米，并且还受到土星众多卫星的强烈作用与影响，而这些卫星将质子辐射带划分成了五个部分。
该研究论文的主要作者、马克斯·普朗克研究所太阳系研究所科学家伊莱亚斯·鲁索斯（Elias Roussos）解释道：“直到13年后、整个任务即将结束之时，我们才有机会对土星的第一批测量结果进行跟进调查，力图搞清楚是否有一个额外的辐射带部分与D环光晕和土星的上层大气共存着。”
经过长达13年的漫长考验，研究结果终于水落石出。在最新的《科学》杂志论文中，科学家们描绘了环绕土星与其距离非常接近的质子全貌。《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）杂志上的两篇文章详细阐述了这些发现成果。
与土星的主质子带相类似，位于这一邻近土星的区域中的质子是由入射的银河宇宙辐射产生的。当宇宙射线与土星大气或其高密度光晕环中的物质发生相互作用时，它会引发一系列反应，并产生高能质子，这些质子随后被土星的磁场所捕获。
土星附近的磁场强度是主辐射带的10倍以上，这就使得其捕获质子的能力非常强大，以至于这些质子可以在同一磁场线上停留数年，因此它们会不断地与D环光晕以及土星大气层发生相互作用，并逐渐耗尽它们的全部能量。但是，由于稀薄的D环光晕的密度是未知的，目前尚不清楚这种能量损失的速度有多快，以及辐射带是否能持续存在下去。理论数据模型实验表明，一种可能性是MIMI测量到的只是噪声，而别无他物。而LEMMS的测量结果则披露，一群稳定积累的高能质子从土星大气和整个D环光晕延伸出来。
这一区域的特点在太阳系中是独一无二的，它为人类提供了一个在类似实验室条件下检查研究辐射带的可能性，因为它的质子生成于一个被土星强磁场所引导和控制的非常稳定的过程。而土星的主辐射带以及地球和木星的辐射带中的这些环境条件是截然不同的，而且还要复杂得多。
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编译：Jonathan
审稿：阿淼
责编：张梦
期刊来源：《科学》
期刊编号：0036-8075
原文链接：
https://phys.org/news/2018-10-results-cassini-mission-phase-protons.html
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