新研究显示土星可能有一个更大的弥散核？( 二 ) 防走失

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图源 | sohu.com
如何剥开你的心？——行星结构研究
1797年，英国科学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）——就是测量出万有引力常数那位卡文迪许，计算出地球的平均密度大约是水的5倍多 [4] 。到今天，相信任何具有高中物理知识的朋友都能完成这个工作。这密度看上去似乎并不大，但由于地表的岩石密度基本上不会超过水的三倍左右，可以推测，地球内部的密度要大得多。限于当年的科技水平，卡文迪许没法更细致地研究地球内部。之后在1898年，俄罗斯地球物理学家维切特（Wiechert）推测地球的组成与铁陨石类似，以此建立了一个以铁和镍为核心的地球内部模型 [5] 。
真正的突破是在1906年，英国地理学家理查德·迪克森·奥尔德姆（Richard Dixon Oldham）通过对地震波中P波的观测探测到了地球核心的存在 [6] 。之后几十年的地震学的研究帮助科学家清晰的确认了地球的内部结构。地震会在地层中产生两种地震波——横波（S波）和纵波（P波），这两种波在同种介质中传播速度不同，同时这两种波在物质的分界面上也会发生反射和折射。在全球对地震波进行监测就可以推算出地球内部的分层结构。
所以，我们能对地球的结构了解得这么清楚，得益于我们就生活在地球之上。不过，哪怕是这样，我们至今没法直接对地球的结构进行探测。毕竟，目前人类最深的钻井——科拉超深钻井 [7] ，也才不过一万多米深，最多刚刚打穿地壳（地壳的厚度大约在5～70千米之间）。
对于地球以外的行星，我们基本无法登陆，就只能采取更加间接的方法去推测其内部结构。要探测到内部的信息，就一定需要搜集到从内部传出来的信号。既然地震波不能用了，电磁波也无法穿透厚厚的地层，那就只有用万物皆有的引力来搜集信息了。
引力势能的公式是

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。然而，这个公式只能用于计算均匀球体之外的引力场。如果是一个不均匀的球体，甚至是椭球体，就需要用到更高级的方法。
真空中的引力场满足拉普拉斯方程。给定边界条件，求解这个方程就能得到行星的引力场分布。这个方程的解可以用球谐函数展开，最后得到的结果就是均匀球体的引力场外加上无穷多修正项。这些修正项其实就是对行星的不均匀性的描述，越高级的项影响越小。实际操作中只需要考虑前几项就够了。
那么，只要我们发射探测器对行星周围的引力场进行测量，根据数据与方程进行拟合，就能确定修正项的参数，从而确定行星的引力场。根据引力场的分布我们就能大致推测行星的质量分布，以此确定行星的内部结构。
比如2004年NASA向水星发射的 “信使号” 探测器就配备了非常精密的仪器用于确定探测器的速度和位置。通过探测到的速度和位置就能算出其受到的引力大小，再排除太阳的引力影响就能确定行星的引力场。我们也因此得到了更多的关于水星内部结构的信息。[8]
除此之外，探测行星的磁场，观察表面的火山活动等方法也能获得一部分的内部信息，但是都没有直接观测引力场获得信息那么全面，这里就不一一赘述了。
我听到你 “心脏跳动” 的声音——通过对土星环的观测得到的信息
引力场的分布对行星核心的信息并不是特别敏感，因此通过引力场分布能很好的确定行星靠外的结构，但是对于其内部结构的了解十分模糊。