土星環現新顏

張唯誠

2009年的大部分時間，當你拿起望遠鏡觀測土星時，也許你會有些失望，因為你會發現，這頂“空中草帽”中的最好看的部分——帽沿兒，也就是土星環，仿佛消失了，它變成了一條細細的直線。1610年，當伽利略將他自制的望遠鏡對準土星時，他看到的就是土星環將要變成一條直線時的情景。在他的望遠鏡里，光環的兩端仿佛像兩只“耳朵”，當時的伽利略并沒有意識到那是土星的光環，他認為土星是由大小不一的三顆星組成的。直到半個世紀后，這個疑團才由惠更斯解開，他用更先進的望遠鏡觀測了土星，并宣布土星具有一個光環。

消失的光環

土星環給人最為強烈的印象是：異常明亮且薄如紙。2007年初，“卡西尼”號土星探測器運行到一個可以俯視整個土星環的軌道平面上，它這時發回的照片展示了土星環整個環系的全貌，它環環相連，仿佛一圈圈色彩亮麗的跑道環繞著其間巨大的土星，此前人類未嘗用這樣的視角觀察過土星環，科學家們因此十分激動。

根據科學家們先前的估計，如果將組成土星環的材料做成一個星球，這個由塵埃和冰構成的星球可以做得和土衛一一般大小。土衛一的直徑為390千米，而土星環的寬度達25萬千米，如此來說，土星環的平均厚度只有幾十米。不過近來科學家們對土星環的質量和密度有了新的看法，他們發現土星環雖然看起來很平滑，但很多地方其實是由塊狀物構成的，這表明人們可能低估了土星環的質量和它的物質密度。

土星環的結構極為復雜，它的內側多塵埃，而外側則以水冰為主。它的主環根據離土星從近到遠的順序分別被命名為D、C、B、A、F、G和E。其實，土星環可以說多得數不勝數，仿佛一張巨大無比的密紋唱片，其上的光環成千上萬。關于它們的形成，現在的觀點有兩種，一種是由法國天文學家愛德華·洛希提出的，他認為土星環曾是土星的一個衛星，后因其軌道離土星太近而被土星的潮汐力撕裂，從而形成了光環。第二種觀點認為，土星環是土星形成之初原始星云的一部分，這個理論一直不為多數人所接受，因為他們認為土星環的年齡只有幾百萬年，至多也就一億年，而土星則有幾十億年了，然而最新的研究卻顯示，土星環相當古老，它可能已經存在45億年了。

環辨

不過將土星環說成由衛星演變而成也許并沒有錯，通過“卡西尼”號2007年傳回的數據，科學家至少在土星的一條光環——G環上找到了足以驗證這個理論的依據。G環位于土星環的外側，1979年，“旅行者”號飛經土星時偶然發現了這條環，環的附近就是土衛一，它離G環只有1.5萬千米，可是G環卻并沒有被土衛一分解成灰塵云。現在，借助“卡西尼”號發回的數據，科學家發現，G環的內側有一道明亮的弧狀結構，它是由直徑數十米的巖石構成的，正是這些巖石被不斷碰撞后分解成了G環的一部分。科學家解釋說，G環內曾經存在過一顆衛星，但不知是什么原因，它解體了，演化成了環，而“卡西尼”號恰巧看到了這個演化過程的最后一幕。

與G環相鄰的F環也是科學家們極感興趣的一條光環。這個環的奇特之處在于它時常改變外形使自己變成一種扭結的形態。科學家推測：F環中可能存在著尚未發現的小衛星，當它們穿過這個環時，會對環的外形產生影響。2008年6月，科學家在《自然》雜志上公布了他們對這個環的最新的研究結果，他們說，F環中確實有這樣的小衛星，而且，這個環還受到土衛十六和土衛十七的影響，它們分別位于F環的內側和外側，其共同的作用會束縛和擠壓F環，導致它發生交錯現象。土衛十六還沿著一個橢圓的軌道穿行于F環，每次穿行都會在F環上拖出一道溝，由此產生的引力使F環彎曲和拉伸，從而扭結成一個螺旋的形狀。科學家說，對于F環的研究意義重大，它有助于我們認識其他氣體巨星的環的行為，這種復雜的環與衛星的互動關系會成為我們認識行星環的重要依據。

與F環相比，土星的A環和B環吸引了科學家們更多的視線。近年來，科學家在A環中頻頻發現新的塊狀物，它們的直徑多為100米左右，其數量已達幾十個之多。這使科學家們意識到，土星周圍這樣的小衛星非常多，可能以數百萬計，而A環中的土衛十八和土衛三只是其中的最大者，這表明土星環中的物質形態除了較大衛星和較小的顆粒外，這種“中間大小”的物質亦非常重要。這一發現將有助于人類對土星環乃至于整個太陽系形成理論的重新認識。A環與B環僅一“縫”之隔，這個“縫”就是卡西尼縫。跨過卡西尼縫就是寬闊的B環，存在于B環上的最大謎團是它上面的輻射條紋，它們是一些由靜電造成的塵埃云團，在20世紀80年代便被發現了，然而直到現在，對它們的解釋依然是眾說紛紜的。一種解釋是，它們產生于土星上的雷暴和閃電，另一種解釋則歸咎于隕星的碰撞或太陽風粒子的沖擊。科學家發現，這些條紋的亮度似乎隨土星季節的轉換而發生明暗變化，在土星的春秋時節最為明顯，今年8月，土星將過分點，屆時從事卡西尼任務的科學家們將對B環進行仔細的觀測，也許B環上的輻射條紋之謎會于不久之后得到更加合理的解釋。

光環歸來

此外，人們在土星環上還有許多新的發現，例如D環已變得更暗，且向著土星的方向移動了100多千米，土星環的質量實際上比先前估計的更大，且表面更加粗糙等，這些發現很有可能徹底地顛覆以前人們對土星環的起源和壽命的認識。自“旅行者”號訪問土星以來，人們便一直認為土星環很年輕，也許就產生于地球上的恐龍時代，然而新的研究則表明，土星環和太陽系同樣古老，而且可能還會存在幾十億年。認為土星環很年輕的理由部分來源于一種簡單的常識，一個物體，假若它光潔明亮，它就可能是一個新器物，萬物皆同理，土星環雖存在于無垠的宇宙中，卻也不應該例外，假若它和土星一樣在宇宙中存在了45億年，那它寬闊的環面為什么沒被宇宙中的塵埃污染得黝黑暗淡，卻依然光潔如砥呢?所以科學家們曾經認為，土星環并不是總是在那里的，它大約產生于一億年前的一次偶然事件，或許是一顆來自太陽系以外的星球運行到土星的附近被土星巨大的潮汐力所撕碎，演變成了一個環，或許是一顆彗星撞上了土星的一顆衛星，它們的碎片環繞于土星，形成了土星環。

然而隨著“卡西尼”號對土星環的觀測日益細致，人們發現了新的事實。科學家使用“卡西尼”號搭載的紫外線圖像光譜儀仔細研究了土星環中的顆粒，他們發現土星環實際上是很粗糙的，其中的物質大小不一，有些細于沙粒，有些大于巨石，環里的團塊夾雜著冰和巖石，在環內物質的循環過程中，它們將來自宇宙的污染物稀釋和吸收掉了，所以土星環看起來并不暗淡。科學家還用來自“卡西尼”號的觀測數據用電腦模擬了土星環內物質的運動情況，2008年9月，他們宣布說，土星環可能比先前預料的更大、歷史更久遠，它很可能早在45億年前就形成了，與土星同樣古老。

值得一提的是，即便土星環相當古老，并且不會很快消失，這樣的環在宇宙中也似乎是不容易見到的。現在人們知道，行星有環并不是稀有的現象，在太陽系里，海王星、天王星、木星都有環，然而它們的環都沒有土星環這般明亮，宏偉并且如此神奇。或許這樣的環離我們很遠，或許這樣的環本來就非常稀有。

2009年的土星環也許并不迷人，然而卻是不易見到的景象。當土星環因側面朝向地球而顯示出一條直線的時候，天文學家們稱之為“環面穿越”，在土星繞太陽公轉的過程中，“環面穿越”的景色并非常有。2009年真正出現“環面穿越”的時候是9月4日，那時土星環的側面正好對著我們，不過那時土星太靠近太陽了，我們根本看不到它。但在2009年的其他時候，我們可以看到大致的效果。“環面穿越”的時間是很短的，此后，美麗的土星環又將重現了。

責任編輯龐云