土衛四（Dione），又稱為“狄俄涅”，是環繞土星運行的一顆衛星。作為太陽系中第15大衛星，其平均半徑為562千米，質量約為1.095×1021千克（0.0001834個地球質量），是土星的第四大衛星，自轉周期約為2.7天。土衛四表面主要由冰組成，溫度為-187℃，幾何反照率為0.998±0.004。其內部可能由硅酸鹽巖石和水冰組成。其表面主要特征為大量撞擊形成的地形、冰崖以及線性帶狀結構。土衛四環繞土星運行的距離是377400千米，其環繞周期為2.7天，由于土星的潮汐鎖定，土衛四的自轉周期與繞土星的公轉周期相等。
1684年，天文學家喬凡尼·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）發現了土衛四，并將其與土衛三、土衛五、土衛八一起命名為“路易之星”。1847年，天文學家約翰·赫歇爾（John Herschel）建議以泰坦·克洛諾斯兄弟姐妹的名字命名當時已知的土星衛星，后土衛四被命名為狄俄涅（Dione）。
1980年11月12日，旅行者2號探測器在距離土衛四24萬千米處拍攝了其相關照片。時隔24年，卡西尼號又于2004年12月13日對土衛四展開探索任務。2005年10月，卡西尼號探測器以500千米的距離飛越土衛四并拍攝照片。此后該探測器又相繼進行了四次飛越土衛四的行動，并在第二次飛越土衛四上空時探測到土衛四上有氧離子存在的跡象。隨后，便有研究稱土衛四存在氧氣以及地下海洋，但研究人員還是認為該衛星上存在生命的可能性不大。
發現與命名
發現
1684年，天文學家喬凡尼·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）利用法國巴黎天文臺的航空望遠鏡發現了土衛三與土衛四，他早年還發現了土衛五和土衛八。而后，卡西尼號將這四顆衛星命名為“路易之星”，以紀念法國國王路易十四。到了十七世紀末，天文學家們習慣上將它們和土衛六稱為土星的第一至第五顆衛星。1789年，威廉·赫歇爾（Frederick William Herschel）發現了土衛二后，將編號方案擴展到土衛七。
命名
土星所屬七顆衛星的現代名稱均來自天文學家約翰·赫歇爾（John Herschel）。1847年，赫歇爾建議以泰坦·克洛諾斯兄弟姐妹的名字命名當時已知的土星衛星。因其認為土星的衛星與希臘神話中克洛諾斯的兄弟姐妹有關（克洛諾斯相當于希臘神話中的羅馬神土星），而后土衛四被命名為狄俄涅（Dione）。
物理性質
基本參數
土衛四的平均半徑為562千米，其作為太陽系中第15大衛星，質量約為1.095×1021千克（0.0001834個地球質量）。其質量比所有已知比其自身小的衛星的質量總和還要大。它的表面主要由冰組成，溫度為-187℃，幾何反照率為0.998±0.004，與土衛三和土衛二相比它比較暗。其整體密度為1.4781±0.0032克/立方厘米，僅次于土衛二和土衛六， 且自轉周期為2.7天，視星等為10.4、軌道離心率為0.0022。
表面地貌
外表特征
土衛四的外表特征為大量撞擊形成的地形，例如中度撞擊的平原，輕度撞擊的平原和斷裂區域。其中撞擊坑的直徑可達100公里。大多數撞擊區域常見于始終面向土星的一面，即后半球。而從邏輯上說，衛星背離土星的前半球應該有更嚴重的撞擊坑。有人根據土衛四直徑為35公里的撞擊坑推測，土衛四可能是近期受到撞擊而被旋轉至當前位置，但是土衛四是否真的旋轉180度，依舊是一個謎。
冰崖
在旅行者號探測器的圖像中，土衛四內的斷裂區域表現為明亮而細長的條紋，長度達幾十到幾百英里，通常穿過平原和撞擊坑。從2005年開始的卡西尼號飛越觀測顯示，“細紋”是一座明亮的峽谷冰壁（其中一些高達數百米），而該冰壁的形成可能是由于地殼下沉而引起的裂縫導致的。這些壁壘之所以明亮，也是因為深色物質從墻壁上脫落，露出明亮的水冰才形成的。這些斷裂懸崖表明土衛四在過去經歷過的構造活動，也可能是土衛二上的虎紋條紋的成熟階段。
在卡西尼號探測器飛越土衛四之前，其他航天器已拍攝到這顆衛星上一處較亮的線條狀結構照片，但不清楚它的形成原因。2004年12月，卡西尼號拍攝的照片顯示土衛四背面有巨大的裂縫，可以證明這些線條根本就不是堆積的冰雪，而是由地震作用形成的冰懸崖。2005年，卡西尼號探測器飛越土衛四時拍攝了這些懸崖的清晰照片，它顯示有些懸崖高達數百米，說明其地震作用還是比較強烈的，也表明其內部具有一定的能量。
線性帶狀結構
土衛四表面具有線性的帶狀結構，長達數百公里，但寬度不到5公里。這些帶狀線段與赤道平行，僅在低緯度地區（北緯或南緯45°以下）可見，土衛五也有類似的特征。這些帶狀結構比周圍的一切都亮，并且可能覆蓋了山脊和隕石坑等其他特征，而此點也表明它們相對來說比較年輕。同時，有研究表明這些帶狀結構的產生可能來自土衛四之外，比如來自土星環、共軌衛星或近距離彗星的物質低速撞擊，后導致物質在表面就位的結果。
內部結構
土衛四是土星的第四大衛星，根據其密度，土衛四的內部很可能是硅酸鹽巖石和水冰的組合。卡西尼號收集的數據表明，土衛四有一個半徑約400公里的巖石核心，周圍環繞著約160公里的H2O包層，主要以水冰的形式存在。但一些模型表明，該層的最下部分可能位于內部液態咸水海洋的形式（類似于其軌道共振伙伴土衛二的情況）。土衛四和土衛二的形狀都沒有接近流體靜力平衡，且土衛四的冰殼厚度變化小于5%，最薄的區域位于兩極，那里地殼的潮汐加熱程度最高。
軌道性質
土衛四環繞土星運行的平均距離是377400千米，稍小于地月平均距離38.44萬千米，其環繞周期為65小時41分鐘，約為2.7天。土衛四與土衛二處于1:2的平均運動軌道共振狀態，即土衛二每繞兩圈，而土衛四就繞土星繞一圈。共振還使土衛四的軌道保持較小的偏心率，即0.0022，，且相對于土星的赤道，其軌道傾角為0.02°。土衛四的自轉周期與公轉周期一樣長，也是65小時41分鐘（約2.7天），因為潮汐鎖定，所以它與地球的衛星月球一樣是同步自轉的，且始終以同一半球面朝向土星。而土衛四的自轉軸與公轉軸之間的交角為0.006°。此外，土衛四還與土衛一也處于共振狀態，這些衛星在彼此接近時會略微加速，在彼此遠離時會減速，這導致它們的軌道在一系列復雜的變化中略有變化，這有助于將它們鎖定在各自的位置上，其中土衛四將土衛二鎖定在其自身1/2軌道周期處。
土衛四有兩顆共軌衛星，即海倫（Helene）與波呂丟刻斯（Polydeuce），它們位于土衛四的拉格朗日點L4和L5內，分別位于土衛四前方和后方60度。
相關探測
1980年11月，旅行者2號探測器在距離土衛四24萬千米處拍攝了其照片。2005年10月11日卡西尼號以只有500千米的距離飛越土衛四并拍攝這些懸崖的清晰照片，它顯示有些懸崖高達數百米，說明土衛四的地震作用比較強烈。2010年4月，卡西尼號探測器第二次飛越土衛四上空，它攜帶的等離子體分光儀探測到土衛四上有氧離子存在的跡象。次年12月，卡西尼號探測器第三次以100千米的距離飛越土衛四上空。2013年5月，美國航空航天局（NASA）根據卡西尼號探測器的探測，宣布為科學家提供了土衛四比之前意識到的更加活躍的證據。NASA團隊利用地形數據推斷，如果土衛四存在像土衛二那樣的地下液體海洋，則可以較好地解釋與其前半球突出山脊相關的地殼凹陷。此外，有研究表明這個山脊高度為1至2公里，且此處地殼有0.5公里的褶皺，這褶皺表明冰脊形成時此處的地殼是溫暖的。研究人員稱這可能是由于地下液體海洋的存在產生了熱量，從而形成褶皺。
2015年6月16日，卡西尼號第四次以516千米的距離飛越土衛四，同年8月卡西尼號探測器第五次以474千米的距離飛越了土衛四。
相關研究
發現氧氣
2012年3月2日，倫敦大學發布公報稱，美國航空航天局與歐洲合作的卡西尼號探測器發現土衛四上存在氧氣。這一發現支持了有關一些有冰覆蓋的星球可在宇宙射線作用下形成氧氣的理論。同日，美國一個來自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究小組也發表聲明，卡西尼號探測器于2010年4月飛經土衛四附近時收集了大量數據，通過研究這些數據探測到土衛四的高空存在氧離子的跡象，意味著土衛四上可能存在有機化合物，這是形成生命的基礎條件之一。根據卡西尼號等離子體分光光度計數據測定，土衛四的分子氧離子密度范圍為0.01至0.09/cm3。
土衛四的氧氣來源有二，其一是由于土衛四的表面溫度較低，覆蓋的冰層雖有較強烈的輻射，使其分解為氫氣和氧氣。但其中的氫氣逸散到太空中，而氧氣卻存留了下來，在土衛四周圍形成了一個氣體層，但這層氣體非常稀薄，不能被稱為大氣層。其二是因為土衛四上的能量來自土星強大的磁場。當土衛四圍繞土星公轉時，來自后者磁場的帶電離子猛烈撞擊在土衛四表面，將表面冰層中的氧剝離出來。這些游離出來的氧氣逸散到土衛四的外逸層，隨后將逐漸再一次被吹回土星的磁場中。
地下海洋
之前的研究認為，土衛四沒有海洋。據英國每日郵報2016年10月11日報道，卡西尼探測器最新觀測數據顯示，土衛四可能有一個地下海洋，里面充滿了液態水。美國《地球物理研究快報》上的一項模擬研究顯示，直徑1120千米的土衛四將成為繼土衛六和土衛二之后第三個被發現擁有地下海洋的土星衛星。卡西尼探測器飛越土星時最新引力數據表明，這個巨大的海洋可能深藏在土衛四冰殼（地殼）以下100公里處，這個巨大海洋被認為深度數萬米。研究人員稱，土衛四的地下海洋可能直接接觸了它的巖石核心。論文作者阿蒂利奧·瑞瓦爾迪尼在布魯塞爾皇家天文臺發布的一份聲明中稱“海洋與巖石核心之間的接觸至關重要，他們的相互作用提供了關鍵的營養和能量來源，二者都是構成生命的基本成分”。此外，這種海洋可能存在于土星衛星的整個歷史中，這說明在土衛四凸凹不平的冰殼之下，擁有讓潛在生命扎根和進化的足夠時間。這使得土衛四成為航天探測獲得的太陽系又一個可能有低級生命的天體。
參考資料 >
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A moon once thought to be boring could actually be quite animated, according to a new study analyzing data from NASA's Cassini spacecraft..nasa.2024-03-28
Subsurface Structure and Thermal History of Icy Satellites from Stereo Topography.adsabs.2024-03-28
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Cassini to Make Last Close Flyby of Saturn Moon Dione.nasa.2024-03-28
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