对卡西尼号最终轨道的精确测量使科学家们能够首次准确估计土星环中物质的数量，并根据引力的强度对它们进行称重。

这一估计——大约是土星的卫星土卫一质量的40%，土卫一本身比地球的卫星小2000倍——告诉他们，这些环是相对较近的，形成于不到1亿年前，可能是最近的1000万年前。

他们年轻的年龄平息了行星科学家们长期以来的争论。一些人认为，45亿年前，土星环是由太阳系形成后轨道上残留的冰碎片和土星一起形成的。另一些人则认为土星环非常年轻，在某个时候，土星从柯伊伯带或彗星上捕获了一个物体，并逐渐将其减少为轨道上的瓦砾。

新的质量估计是基于对卡西尼号在2017年9月最后一组轨道上在土星和土星环之间飞行时，被土星环引力偏转的飞行路径的测量得出的。然而，最初，这种偏转与基于行星和土星环模型的预测不符。只有当研究小组考虑到土星大气中非常深的流动风时——这是不可能从太空中观察到的——测量才有意义，使他们能够计算出光环的质量。

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)地球与行星科学教授伯克哈德·米利策尔(Burkhard Militzer)对行星内部进行建模，他说:“我第一次看到这些数据时并不相信，因为我相信我们的模型，过了一段时间才明白，确实存在一些我们没有考虑到的影响，改变了重力场。”“事实证明，这是赤道地区周围至少9000公里深的大气中的大量流动。我们初步认为，这些云就像地球上的云一样，被限制在薄薄的一层，几乎没有质量。但在土星上，它们真的很大。”

他们还计算出，土星赤道表面云层的旋转速度比9000公里(约6000英里)深处的云层快4%。更深一层的旋转时间比赤道云顶的旋转时间长9分钟，赤道云顶每10小时33分钟绕地球一圈。

“深层旋转层的发现是对这颗行星内部结构的一个令人惊讶的启示，”卡西尼项目科学家琳达·斯皮尔克说，她来自美国宇航局位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室。“问题是，是什么原因导致大气层中旋转更快的部分深入到如此深处，这告诉了我们关于土星内部的什么信息。”

米兹尔还计算出，这颗行星的岩石核心质量一定是地球质量的15到18倍，这与之前的估计相似。

由意大利罗马Sapienza大学的Luciano Iess领导的研究小组今天在杂志上报告了他们的研究结果科学。

光环来自冰冷的彗星吗?

早先对土星环质量的估计——在土卫一质量的二分之一到三分之一之间——是通过研究环绕岩石和冰环传播的密度波得出的。这些波是由这颗行星的62颗卫星引起的，其中包括土卫一，它在两个最大的环A和b之间形成了所谓的卡西尼分界线。土卫一光滑而圆，直径246公里。它有一个巨大的陨石坑，让它看起来像星球大战电影中的死星。

“人们不相信波的测量结果，因为环中可能存在质量很大但没有参与波的粒子，”米兹尔说。“我们一直怀疑有一些隐藏的物质，我们无法在海浪中看到。”

幸运的是，当卡西尼号接近生命终点时，美国宇航局给它设定了在土星和土星环之间进行22次潜水的计划，以探测土星的重力场。地面上的射电望远镜测量了宇宙飞船的速度，精确到每秒不到一毫米。

新的环质量值在早期估计的范围内，使研究人员能够确定它们的年龄。

这些年龄计算由康奈尔大学的Philip Nicholson和Iess领导，建立在科学家们之前在环的质量和它们的年龄之间建立的联系之上。质量越低说明年龄越小，因为光环最初是由冰构成的，很明亮，但随着时间的推移，被星际碎片污染并变暗。

“这些测量之所以成为可能，是因为卡西尼号在最后几个小时飞得离火星表面很近，”米兹尔说。“这是一个经典的、壮观的结束任务的方式。”