好薄的土星環(huán)！

太空僧

發(fā)現(xiàn)土星環(huán)

距今400 多年前，也就是1610 年7 月的一個晴朗夜晚，伽利略將他的望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了土星。雖然明亮的土星自古以來就為人熟知，但直到望遠(yuǎn)鏡發(fā)明時，人類才有機(jī)會仔細(xì)端詳它的樣貌，而伽利略就是第一個通過望遠(yuǎn)鏡觀測土星的天文學(xué)家。

由于望遠(yuǎn)鏡剛發(fā)明不久，分辨率有限，伽利略錯誤地把目鏡中看到的極為模糊的土星環(huán)，當(dāng)成了土星的兩顆衛(wèi)星。他寫信將這個發(fā)現(xiàn)告訴了托斯卡納大公美第奇。

到了1612 年，伽利略發(fā)現(xiàn)土星的兩個“耳朵”慢慢消失不見了。他感到非常困惑，形容這是種新奇的現(xiàn)象，猜測也許是土星把兩顆小星吞噬了。

現(xiàn)在我們知道，這是由于土星和地球一樣有一個傾斜的自轉(zhuǎn)軸，不同的時間會看到不同角度，當(dāng)土星環(huán)正好以側(cè)面對著地球時，看上去就像消失了一樣。這種現(xiàn)象每13～15 年就會出現(xiàn)一次，下一次將出現(xiàn)在2025 年。

然而，這對當(dāng)時的伽利略來說簡直就是個猜不透的異象。尤其是當(dāng)1616 年土星的兩個“耳朵”再次出現(xiàn)在他的望遠(yuǎn)鏡中時，伽利略感到更加困惑了，他意識到這個像雙臂一樣的突出物并不是圍繞土星運(yùn)行的行星，而是完全不同的什么東西。

隨著望遠(yuǎn)鏡工藝的提升，行星的影像越來越清晰。1655 年，荷蘭天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯用自己設(shè)計的43 倍折射望遠(yuǎn)鏡仔細(xì)觀察土星，終于解開了土星“耳朵”的謎團(tuán)。他正確地推斷這實際上是一個與土星沒有接觸的、又薄又平的環(huán)狀物。不僅如此，他也是發(fā)現(xiàn)土星的第一顆衛(wèi)星土衛(wèi)六的天文學(xué)家，因此后來前往土衛(wèi)六的探測器便以他的名字命名。

1675 年，意大利- 法國天文學(xué)家卡西尼利用反射式望遠(yuǎn)鏡確定了土星環(huán)是由多個同心環(huán)組成的，它們之間有極窄的間隙，其中最大的間隙后來被命名為“卡西尼縫”，而第一個環(huán)繞土星進(jìn)行長期觀測的航天器也被命名為“卡西尼號”。

只有土星有光環(huán)嗎？

事實上，土星不是太陽系中唯一有行星環(huán)的行星，巨大的木星、神秘的天王星和寒冷的海王星也都有行星環(huán)，只不過沒有土星環(huán)那么明亮，需要太空望遠(yuǎn)鏡才能觀察，木星環(huán)甚至要小型探測器掠過時才能看到。

這些擁有光環(huán)的行星都有兩個共同點(diǎn)。首先，它們離太陽較遠(yuǎn)，構(gòu)成行星環(huán)的物質(zhì)不易被太陽影響；其次，這些行星自身的質(zhì)量較大，引力較強(qiáng)，能夠?qū)⑿行黔h(huán)都束縛在身邊。

為什么土星環(huán)那么薄？

看上去像光盤一般絲滑而又絢麗的土星環(huán)，實際上是由無數(shù)冰塊和塵埃微粒構(gòu)成的。這些微粒的直徑從幾厘米到幾米不等，以極高的速度圍繞土星旋轉(zhuǎn)。

土星的直徑有11.6 萬千米，相當(dāng)于9 個地球并排在一起的寬度，而土星環(huán)的平均厚度只有10 米，好比人和一個細(xì)菌的差距。為什么土星會形成如此薄的環(huán)呢？

第一個原因是“角動量守恒”。

其實在最開始，土星環(huán)并沒有這么窄，大量的冰塊碎片分布在土星赤道兩側(cè)很寬的一個范圍里，并在土星的引力作用下，圍繞土星旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的方式也與我們想象的不同。

這樣一來，大量碎片因為飛行角度各不相同，向上飛的和向下飛的會不斷撞擊在一起，兩股力量相互抵消，從而使撞擊后的碎片飛行角度都變小了。隨著大量碎片之間的不斷碰撞，土星環(huán)的分布范圍也越來越窄，最終變成薄薄的一層。

第二個原因是“牧羊衛(wèi)星”。

土星環(huán)的形態(tài)，與其中運(yùn)行的衛(wèi)星密切相關(guān)。天文學(xué)家將此類衛(wèi)星叫作“守護(hù)衛(wèi)星”，也叫“牧羊衛(wèi)星”。它們就像是放羊時負(fù)責(zé)圈住羊群的牧羊犬，當(dāng)土星環(huán)中的碎片企圖沖到環(huán)外時，它們較大的引力會將“逃兵”拉回到隊伍中。

土星環(huán)是怎么形成的？

對于土星環(huán)的形成，目前有三種觀點(diǎn)。

觀點(diǎn)1，土星環(huán)是以前某個衛(wèi)星的軌道下降至土星的洛希極限內(nèi)，被潮汐力撕裂成碎片而形成的。

觀點(diǎn)2，土星環(huán)碎片是大質(zhì)量的彗星或小行星擊中土星或土星的衛(wèi)星后，解體形成的。

觀點(diǎn)3，土星環(huán)早就存在，是土星形成之初遺留下來的原始星云物質(zhì)形成的。

土星環(huán)里的縫隙

土星環(huán)的亮度并不均勻，有幾條暗淡的縫隙將土星環(huán)分割成了好幾個同心環(huán)，其中最顯眼的縫隙要數(shù)“卡西尼縫”了。這些縫隙的形成與在土星環(huán)中運(yùn)行的衛(wèi)星有關(guān)，衛(wèi)星的引力作用改變了微粒的軌跡，將經(jīng)過的區(qū)域“打掃”得干干凈凈，因此形成了巨大的縫隙。

土星環(huán)會消失么？

我們對行星環(huán)的認(rèn)識還很有限，有很多謎題尚未解開。我們不但不清楚土星環(huán)是什么時候形成的，也不知道它們能維持多久。不過，科學(xué)家普遍認(rèn)為行星環(huán)并不會維持很長時間。微粒碎片會在碰撞和引力的作用下，像下雨一樣不斷落向行星，或被流星體撞出軌道消失在太空中。隨著時間的推移，行星環(huán)終將完全消失。“卡西尼號”探測器傳回的數(shù)據(jù)表明，土星環(huán)也許會再存在一億年。

與行星本身的壽命相比，行星環(huán)的存在很短暫，因此，在億萬年的時光中恰好與這道獨(dú)特而美麗的風(fēng)景線相遇，我們也十分幸運(yùn)。