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土星可算是太陽系中較為奇特的一顆行星,在望遠鏡中看來,它的外表猶如一頂草帽,在圓球形的星體周圍有一圈很寬的「帽沿」,這就是土星光環,又稱土星環。光環的存在使得土星成為群星中最美麗的一顆,令觀賞者讚嘆不已。幾百年來,人們一直以為太陽系中唯獨土星才有光環。直到本世紀70年代後期至80年代後期,天王星環、木星環和海王星環的相繼發現才使這一觀點得以改變。

1 土星光環 -美麗的土星環

  土星最讓人著迷的便是美麗的土星環。

  伽利略在1610年用自製望遠鏡觀察土星時,發現土星有兩個「耳

土星光環

朵」。他誤認為土星可能是由一大二小三個天體組成,懷疑這兩耳朵是兩顆衛星。但他一直不敢將觀察結果發表,其原因是「衛星」並沒有繞土星公轉,似乎永遠停留不動。而更令他驚奇的是那兩顆「衛星」兩年後竟然失蹤,三年後又重新出現。

  半個世紀后,荷蘭天文學家惠更斯(Christiaan Huygens) 用更大更好的望遠鏡進行觀測,才揭開了這個謎。原來那兩顆「衛星」是與土星不相連接、環繞在土星赤道面上的光環。這光環由無數形狀、大小不等,直徑在7.6厘米~9米之間的冰塊組成,以很快的速度圍繞土星運轉,在太陽光的照耀下呈現出各種顏色。光環的直徑達27萬千米,厚度為10千米左右,自東向西自轉。1675年,義大利天文學家卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)發現光環中有一圈空隙,這就是著名的卡西尼環縫。

  土星環的結構在17~19世紀被陸續發現。到20世紀80年代初,至少3個探測器對土星「走馬觀花」,發現環的結構極為複雜。
土星光環

人們根據地面觀測和空間探測,把土星環劃分為7層。距土星最近的是D環,亮度最暗;其次是C環,透明度最高;B環最亮;最後是A環。在A 環和B環之間就是著名的卡西尼環縫,縫寬約5000千米。在A環之外有E、F、G三個環,最外層的是E環,十分稀薄和寬廣。

  「旅行者1號和2號」探測器把土星環的近距離照片送回后,科學家們非常吃驚:原來每一層又可細分成上千條大大小小的小環,即使被認為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環。在照片中可見到F環有5條小環相互纏繞在一起。土星環的整體形狀類似一張巨大的密紋唱片,從土星的雲頂一直延伸到32萬千米遠的地方。 光環的顏色遠看是紅棕色,其實每層都稍有不同,C環是藍色,B環內層為橙色,外層為綠色,A環為紫色,卡西尼縫是藍色的。

  土星的自轉軸和地球一樣,也是傾斜的,土星的軸傾角是26.73°,地球則是23.45°。由於土星的光環和赤道是在同一平面上,所以它是對著太陽(也對著我們)傾斜的。當土星運行到其軌道的一端時,我們可由上往下看見光環近的一面,而遠的一面仍被遮住。當土星在軌道的另一端時,我們就可由下往上看到光環近的一面,而遠的一面依然被遮住。土星從軌道的這一側轉到另一
土星光環

側需要14年多一點。

  在這段時間內,光環也逐漸由最下方移向最上方。行至半路時,光環恰好移動到中間位置,這時我們觀察到光環兩面的邊緣連接在一起,狀如「一條線」。隨後;土星繼續運行,沿著另一半軌道繞回原來的起點,這時光環又逐漸地由最上方向最下方移動;移到正中間時,我們又看見其邊緣連接在一起。因為土星環非常薄,所以當光環狀如「一條線」時就好像消失了一樣。1612年年底伽利略看到的正是這種情景;據說由於懊惱,他沒有再觀察過土星。 

  1675年,J.D.卡西尼發現,土星環並不是一個完整的光環。在光環的周圍有一條暗線,把光環分成內外兩部分。外面的一部分比較窄,而且不如裡面那一部分亮,看起來像是兩個環套在一起。從那以後,土星環一直被認為是由幾個環組成的,這條暗線現在叫做卡西尼縫。

  1826年,德國血統的俄國天文學斯特魯維把外面的環命名為A環,把裡面的環命名為B環。1850年,美國天文學家W.C.邦德宣稱,還有一個比B環更靠近土星的暗淡光環。這個暗淡光環就是C環,C環與B環之間並沒有明顯的分界。

  在太陽系的任何地方都沒有像土星環那樣的東西,或者說,用任何儀器我們也看不到任何地方有像土星環那樣的光環。誠然,我們現在知道,圍繞著木星有一個稀薄的物質光環,且任何像木星和土星這樣的氣體巨行星都可能有一個由靠近它們的岩屑構成的光環。然而,如果以木星的光環為標準,這些光環都是可憐而微不足道的,而土星的環系卻是壯麗動人的。從地球上看,從土星環系的一端到另一端,延伸269,700公里(167,600英里),相當於地球寬度的21倍,實際上幾乎是木星寬度的2倍。
土星光環

土星環到底是什麼呢?J.D.卡西尼認為它們像鐵圈一樣是平滑的實心環。可是,1785年拉普拉斯(後來他提出了星雲假說)指出,因為環的各部分到土星中心的距離不同,所以受土星引力場吸引的程度也會不同。這種引力吸引的差異(即我前面提過的潮汐效應)會將環拉開。拉普拉斯認為,光環是由一系列的薄環排在一起組成的,它們排列得如此緊密,以致從地球的距離看去就如同實心的一樣。

  可是,1855年,麥克斯韋(後來他預言了電磁輻射寬頻帶的存在)提出,即使這種說法也未盡圓滿。光環受潮汐效應而不碎裂的惟一原因,是因為光環是由無數比較小的隕星粒子組成的,這些粒子在土星周圍的分佈方式,使得從地球的距離看去給人以實心環的印象。麥克斯韋的這一假說是正確的,現在已無人提出疑義。

  法國天文學家洛希用另一種方法研究潮汐效應,他證明,任何堅固的天體,在接近另一個比它大得多的天體的時候,都會受到強大的潮汐力作用而最終被扯成碎片。這個較小的大體會被扯碎的距離稱為洛希極限,通常是大天體赤道半徑的2.44倍。這樣,土星的洛希極限就是2.44乘以它的赤道半徑60,000公里,即146,400公里,A環的最外邊緣至土星中心的距離是136,500公里(84,800英里),因此整個環系都處在洛希極限以內。(木星環也同樣處在洛希極限以內。)

  很明顯,土星環是一些永遠也不能聚結成一顆衛星的岩屑(超過洛希極限的岩屑會聚結成衛星——而且顯然確實如此),或者是一顆衛星因某種原因過分靠近土星而被扯碎后留下的岩屑。無論是哪一種情況,它們都是余留的一些小天體。(被作用的天體越小,潮汐效應也就越小,碎片小到某個程度之後,就不再繼續碎裂了,除非兩個小天體相互間偶爾碰撞。)據估計,如果將土星環所有的物質聚合成一個天體,結果將會是一個比我們的月亮稍大的圓球。

2 土星光環 -土星環的發現

  自從義大利著名天文學家伽里略在1609年首次用望遠鏡觀測星空以來,新的發現經他之手接踵而至。1610年7月,他把望遠鏡對準了土星。在這架放大倍數只有30倍而又不完善的望遠鏡中,伽里略看到土星兩旁有某種奇怪的附屬物。實際上他所觀測到的便是土星兩側的光環部分。但是,伽里略並沒有認識到這一點。鑒於在這之前他已經發現了木星的四顆大衛星,於是便相信土星兩側也有兩個衛星之類的小天體。然而,由於情況不如木星衛星那樣明白無疑,伽里略沒有直截了當地宣布這一發現。

土星光環

任何一位科學家在感覺到將要作出一項重要發現之時,往往會為兩種感情所支配:一方面怕別人走在自己的前面而想儘快地發表它,另一方面又擔心會犯大錯誤而不想輕率地過早加以發表。在伽里略時代學者們為此往往採用一種稱為"字母顛倒法"的密碼記錄方式來簡要地記載自己所作出的發現,這種記錄除了發現者本人外幾乎誰也無法加以破譯。當發現者過一段時間后確證了這項發明之時,便把自己早已寫好的那份"天書"譯出來,從而保留了對該項發現的優先權。

  伽里略對他的土星觀測結果便採用了這種方法。他當時所做的記錄是由39個拉丁字母混亂排列的一長排符號串,其真實含義是"觀測到一顆最高的三重行星"。這裡"最高的"即指土星,因為土星是當時所知離太陽最遠的行星。1659年,荷蘭科學家惠更斯證實伽里略觀測到的是一個離開土星本體的光環。但他開始時也象伽里略一樣採用了字母顛倒的密碼記錄法,不過形式稍有不同,用了總數為62個拉丁字母的若干符號串。三年後當他確信自己結論正確時才宣布了這組符號串的意義是"土星周圍有一個又薄又平的光環,它的任何部分與土星不相接觸,光環平面與黃道面斜交"。

  惠更斯以後,人們經歷了漫長的過程才對土星環的本質有了正確的認識。在最初的兩百年內,土星環一直被認為是一個或若干個扁平的固體物質盤。1856年英國物理學家麥克斯韋首先從理論上證明這種環必須是由圍繞土星旋轉的一大群小衛星組成的物質系統,而不可能是整塊固體物質盤。40年後,美國天文學家基勒通過觀測發現,土星環不同部分的旋轉速度隨到土星中心距離的增大而減小,並且符合開普勒運動定律。如果是剛體轉動,則轉速因隨距離的增大而增大。這樣就無可辯駁地證實了環是無數個各自沿獨立軌道繞土星旋轉的大小不等的物質塊,從而最終闡明了土星環的本質。事實上當遠方恆星在環后經過時星光並沒有多大的減弱,這也說明它不是一整塊東西,而是一些稀疏分佈的分離物質塊。現已知道組成環的小"衛星"大都是一些直徑為4~30厘米的冰塊,總質量約為土星質量的百萬分之一。環極冷,據探測溫度低達-200℃左右。

  目前,根據地面和空間觀測結果得知,土星環系的主體含有A、B、C、D、E、F和G七個環以及環與環之間稱為環縫的一些暗區。環編號的次序是根據發現時的先後,而不是按它們離土星本體的遠近來確定的。環縫則通常以發現者的名字來命名,它們是一些質點密度相對很小的區域。最裡面的是D環,內側幾乎觸及土星表面,寬約為12000公里,與C環內緣隔開一個1200公里寬的蓋林縫。C環很暗,寬約19000公里。C環外是既寬又亮的B環,它與C環相隔一條寬1800公里的法蘭西縫,寬度約為25000公里,可以並排放上兩個地球。再往外就是A環,亮度僅次於B環,寬約15500公里。A、B兩環間是寬度為5000公里的卡西尼環縫,由著名天文學家卡西尼於1675年發現。卡西尼縫是永久性的環縫,另一條永久性環縫為A環中的恩刻環縫,寬度只有876公里。其他環縫既不完整又具有暫時性。A環向外依次為F、G和E環。其中F環很窄,寬度僅為30公里,它與A環間寬約3600公里的空缺區取名為"先鋒縫"。F環和G環都是空間飛船發現的。E環的情況比較複雜,物質分佈呈現某種結構,寬度超過8萬公里,一直延綿到離土星表面20萬公里以遠的空間中。

  土星環系的總寬度超過20萬公里,而最大厚度卻不超過150米,真可謂"其薄如紙"!無怪乎當它以側面對我們時會消失殆盡,這一點也曾使伽里略對自己的發現產生懷疑呢!關於環的起源至今未有定論,一種最流行的觀點認為,當一顆衛星離開土星太近時會為土星起潮力所瓦解,其結果便形成今天的光環。

3 土星光環 -土星光環的成因

  巨大的光環使土星成為太陽系裡一顆非常美麗的行星。土星的光環其實可分成幾個不同的部分,最明亮、寬闊的是 A 環和B 環,較暗的是 C 環。光環的各部分之間有明顯的裂縫,最大裂縫的是A 環和 B 環間的Cassini 裂縫,它是由 Giovanni Cassini 在 1657 年發現的。

  A 環內的 Encke 縫則是由 JohannEncke1837 年發現的。通過飛船的探測,人們還發現較寬的光環其實是由許多狹窄的小環組成的。

土星光環

光環的形成原因還不十分清楚,據推測可能是由彗星、小行星與較大的土衛相撞后產生的碎片組成的。

  光環可能含有大量的水份,構成它們的是直徑從幾厘米到幾米的冰塊和雪球。某些光環,如 F 環的結構在鄰近的衛星引 力拉扯下結構發生了細微的變化。科學家在「旅行者」號飛船發回的一張圖片中發現,土星寬闊的 B 環上帶有放射狀的陰影,但在「旅行者」號此後拍攝的其他圖片中卻沒有。

  據推測,這一現象可能因為光環在某些時候帶有靜電,漂浮在宇宙中的塵埃被吸附而造成的。

4 土星光環 -土星光環的成因的新探索

  據國外媒體報道,數百年來,全世界的天文學家們一直在嘗試著研究和查明土星光環的結構。同時,這些光環的成因則更顯得神秘莫測。不過,「卡西尼」號探測器傳回的最新觀測數據最終揭開了土星光環的「身世」——它們在數億年前均曾是土星的衛星,最終發生分解並演化為現在的帶狀結構。

  現在,那些曾經的衛星已演化為體積相對平均的小石塊、灰塵和氣體。正如天文學家們所指出的,這一演化過程至少可以在土星的一條光環——G環上得到驗證。

  科學家們在研究過程中發現,位於土星光環群外側的G環目前還受到了土衛一引力的影響。

土星光環

美國宇航局的專家們指出,土星G環由於距離其他環較遠,因此直到1979年才被飛經土星的「先驅」號探測器偶然發現。當時在科學家中間立刻產生了一個疑問:為什麼這條光環距離土衛一如此之近,卻並未分解為塵埃狀的雲團(土衛一的直徑為400公里,距離G環約15000公里)。

  藉助「卡西尼」號獲取的最新數據,科學家們現在終於可以為這一謎題給出答案。這是由於,在G環的內側存在著一個明亮的弧狀結構,NASA的專家們認為,該弧線是由一些直徑為數十米的大塊岩石組成的。這些相對較大的岩石在微型隕石的不斷轟擊下逐步分解並不斷演化為光環的一部分。

  不過,如果G環中的所有「大型」天體能夠融合為一個整體,那將會形成一個新的衛星。NASA認為,這顆衛星確實曾經存在過。

  NASA埃姆斯研究中心的傑夫·庫茲表示:「在土星G環中確實曾存在過一顆衛星。但不知何時,它發生了解體,並演化為一條由冰塊和碎石構成的光環。現在,我們可以清楚地看到這些前衛星的殘骸是如何環繞土星運動的。」

  現在,G環中的那些大型天體正受到來自土衛一的弱引力作用。「卡西尼」號已清楚地記錄下了這種引力的存在。

  不過,科學家們也指出,在G環和土衛一之間存在著相互間的引力作用,並由此產生了所謂的「共振效應」。據推算,G環中的這些較大天體將會不斷發生分解並平均分散到整個軌道上。由此同時,由於這些天體的消失,土衛一受到的引力將會減小,並有可能逐漸遠離土星軌道。

5 土星光環 -從秋到冬的土星光環

  6月7日,美國國家航空航天局在華盛頓展示了一組哈勃太空望遠鏡從1996年到2000年間拍攝的土星照片。該組照片(從左下到右上)展現了土星北半球從秋分到冬至這段時間內光環的各個形狀。土星赤道與其運行軌道成27度斜角,與地球的23度角十分

土星光環

相似。土星的光環僅10米厚,之所以略帶紅色,是因為它由有機物和冰構成。目前,天文學家們正在研究這組照片,分析土星光環色彩和亮度的具體細節問題。

6 土星光環 -土星的光環地球可不可以擁有

  土星外圍的光環是一堆岩石,因為地球排3位而太陽系的隕石堆都在火星與木星距離的空間或在海王星以外,它們都受太陽影響圍繞。因為土星與木星都有非常強大的引力能吸引它們,而地球不僅遠離它們又沒有土星與木星這麼大的質量,所以地球是不可能擁有的。

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