物理学：卡西尼最后任务阶段的结果显示了行星中有能量的质子！
该图显示了土星的质子辐射带。行星和D形环之间区域的辐射可以在插图中看到放大，并且在卡西尼号任务的最后任务阶段首次观测到。它是由行星环上银河系宇宙辐射的发生而产生的。以这种方式产生的质子随后与土星的气氛，它的薄D环和它的小环相互作用。图片来源：MPS/JHUAPL。
大约一年前，一次壮观的土星潜水结束了美国宇航局的卡西尼号任务-并与此一起进行了为期13年的独特的土星系统研究考察。在任务的最后五个月中，探测器再次进入未知领域：二十二次，它陷入土星行星与其最内圈D环之间几乎未开发的区域。在年10月5日星期五，“科学”杂志发表了六篇文章，描述了这个任务阶段的第一批结果。
在其中一篇论文中，由德国马克斯普朗克太阳系研究所和美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室领导的研究小组报告了靠近地球形成的独特质子辐射带。由于密集的A，B和C环的存在，该区域几乎完全与主辐射带和磁层的其余部分分离，后者向外延伸。
当太空探测器Cassini于年7月1日围绕土星及其环绕其第一轨道时，在MPS的领导下开发并建造了包括低能磁层测量系统（LEMMS）在内的磁层成像仪器（MIMI）粒子探测器套件。简要介绍了行星和最里面的D环之间的区域。测量结果表明可能存在一群带电粒子，但其确切的组成和性质仍然模糊不清。在接下来的几年中，MIMI-LEMMS研究了被土星在其环外强磁场捕获的粒子，形成了由高能质子和电子组成的主辐射带。质子辐射带延伸超过,公里进入太空，并受到土星无数卫星的强烈影响，这些卫星将其分为五个区域。“仅仅13年之后，在任务结束前不久，我们就有机会跟进我们在土星的第一次测量，看看是否有一个额外的辐射带扇区与D环和上层大气共存。星球，“EliasRoussos解释说。”
这项为期13年的耐心考验现已取得成效。在他们目前的科学文章中，科学家描绘了土星周围质子的全面图像。“地球物理研究快报”上的两篇文章阐述了这些发现。
类似于土星的主要质子带，靠近行星的区域中的质子是由入射的银河宇宙辐射产生的。当宇宙辐射与土星大气层或其密集环中的物质相互作用时，它会触发一系列反应，产生高能质子，随后被行星的磁场捕获。
土星在地球附近的磁场强度比主要辐射带强10倍以上。这使得捕获效率非常高，质子可以在同一磁场线中保持多年。这迫使他们与D环和土星大气层不断相互作用，逐渐失去其全部能量。但由于脆弱D环的密度未知，目前还不清楚这种能量损失的发展速度以及是否可以保持辐射带。理论建模表明，一个可行的场景可能是MIMI只测量噪声。
在最后的任务阶段，卡西尼探测器沿着橙色轨迹进入土星和D形环之间的区域。观察到的质子积累延伸穿过D环。虽然在小环D68和D73处质子强度明显减小，但小环D72几乎不影响它。虽然卡西尼本身没有潜入D环系统，但LEMMS获得了有关其结构的信息，因为被捕获的粒子沿磁场线移动（例如用蓝色标记）并在与环形材料相互作用后到达航天器。图片来源：MPS/JHUAPL。
幸运的是没有发生-至少对于质子来说。LEMMS测量揭示了高能质子的稳定积累，这些质子从土星大气层延伸到整个D环。许多这些质子所具有的能量是极端的：比LEMMS设计的高出10倍以上。“我们不得不挖掘仪器的旧机械图纸并构建它的新模型，以了解它在如此极端的环境中如何测量，”Roussos补充道。
“在D环的外面，土星的A，B和C环显着密集且更加灰尘，形成了一个有效的62,公里的屏障，用于捕获带电粒子，”Roussos继续道。这意味着D环的外缘就这个新的质子带可以延伸-并且LEMMS测量证实了这一点。“这将创建完全从磁层的其余部分隔离辐射带，”MPS科学家诺伯特·克虏伯博士MIMI-LEMMS团队的首席研究员，并在研究的共同作者说科学。
该地区在太阳系中是独一无二的。它提供了在实验室条件下检查辐射带的可能性，因为它的质子是由一个非常稳定的过程产生的，由土星的强磁场引导和控制。在土星的主要辐射带以及地球和木星的辐射带中，这些条件是不同的-而且要复杂得多。例如，在地球上，来自太阳的高能粒子的可变流入会对辐射带结构产生强烈影响。
同样有价值的是LEMMS增加的关于D环系统的新信息，这对于单独成像研究来说太微弱了。这个戒指共包含三个窄小环，全部比环的其他部分更亮，并命名为D68，D72和D73。虽然小环D68和D73降低了质子的强度，但位于它们之间的小环D72似乎没有效果。“尽管D72和D68的小环同样很亮，但LEMMS测量显示它们实际上必须非常不同，”Roussos说。
MIMI测量结果还显示，海拔低于数千公里的次级低能质子辐射带。当土星的磁层中产生的快速中性氢原子在撞击大气层并被充电时被困在行星附近时偶尔会形成这种带。“这种低空带的存在表明，土星可变的遥远磁层可以通过行星密集的环传播一些最小的信息，”克虏伯补充道。
在MIMI/LEMMS仪器在土星上度过的13年中，它对地球以外的行星辐射带进行了最全面的调查之一，甚至帮助发现了未知的环。这些和进一步发现的摘要可以在剑桥大学出版社本月出版的“21世纪的土星”一书中找到。MPS的NorbertKrupp博士是其四位编辑之一。
