標籤:光環

土星環由蜂窩般的太空碎片、岩石和冰組成。主要的土星環寬度從48公里到30.2萬公里不等,以英文字母的頭7個命名,距離土星從近到遠的土星環分別以被發現的順序命名為D、C、B、A、F、G和E.土星及土星環在太陽系形成早期已形成,當時太陽被宇宙塵埃和氣體所包圍,最後形成了土星和土星環。

1形成

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。
土星光環結構複雜,千姿百態。光環環環相套,以至成千上萬個,看上去更像一張碩大無比的密紋唱片上那一圈圈的螺旋紋路。所有的環都由大小不等的碎塊顆粒組成,大小相差懸殊,大的可達幾十米,小的不過幾厘米或者更微小。它們外包一層冰殼,由於太陽光的照射,而形成了動人的明亮光環。
長期以來,這條光環是如何形成的,一直是天文學家努力研究的熱點問題。2010年12月《自然》雜誌發表文章,討論了有關此事的最新成果。文章說,幾百萬年前,一顆衛星在土星引力作用下與包圍土星的大氣相撞。隨後,土星吸住「死星」外圍冰塊,最終成型了美麗光環。
此前,人們認為,土星光環是其衛星彼此相撞或者是外來星雲與土星相撞的結果,不過天文學家發現,土星光環主要由冰構成(95%)。因此,它很可能是一顆「冰殼衛星」與土星外圍物質相撞后的結果。這顆死星其他部分因重量較大而墜入土星大氣層。

2組成

土星的光環其實可以分成幾個不同的部分,最明亮 最寬闊的是 A 環和B 環,
土星環

  土星環

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 Johann Encke1837 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。
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B環
B環是所有環中最大、最亮與質量最多的。它的厚度估計在5~15米,質量在2.8 × 10公斤,光深度的變化在0.4至2.5之間,意味著通過B環的光線有將近99%會被阻攔。B環在密度和光度上的許多變化,幾乎都還沒有獲得合理的解釋。B環都是同心圓,雖然其中有許多狹窄的小環,但B環不包含任何的縫隙。
輪輻
B環 輪輻

  B環 輪輻

在1980年之前,土星環的結構完全都是使用萬有引力來解釋的,直到航海家的影像呈現出B環上有被稱為輪輻的輻射狀特徵,而這是不可能如此來解釋的。因為它們持續的時間和自轉周期與依照軌道力學的環不一致。這些輪輻在背景散射光下呈現黑暗,而在前景散射光下顯得明亮。(參考圖集)主導的理論認為它們是微小的塵埃顆粒,受到主環上的靜電排斥而懸浮在圓環平面上,因此它們的轉動是與土星的磁氣層同步。但是,造成輪輻的確實機制仍然不清楚,雖然有人建議這些電子干擾可能來自土星大氣層中釋放的閃電或微流星體對土星環的衝擊。
直到25年後輪輻才再度由卡西尼號太空船觀測。當卡西尼號在2004年初抵達土星時,輪輻並未被看到。有些科學家根據他們試圖描述輪輻形成的模型推測要到2007年才會看到輪輻,然而卡西尼號的影像小組在保留的土星環影像中搜尋,在2005年9月5日就看見了輪輻。
輪輻的出現似乎有季節性的變化現象,在土星的仲冬或仲夏時消失不見,當土星接近分點時又再度出現。建議輪輻也許是一種季節性的作用,隨著29.7年的土星軌道變化,這也支持在卡西尼後幾年的任務中,輪輻會漸漸的增加。
D環
土星 D環

  土星 D環

D環是最側的環,並且非常暗弱。在1980年,航海家1號偵測到在其中有個小環,分別標示為D73、D72和D68是最靠近土星並被分離出的小環。25年之後,卡西尼影像顯示D72明顯的變得更為微弱並且朝向土星移動了200公里。出現在C環和D73之間的縫隙是分離30公里波長的精細尺度結構。

3特點

環辨
土星環里還藏著一個不太亮的光點,那正是我們的地球 不過將土星環說成由衛星演變而成也許並沒有錯,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環位於土星環的外側,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環卻並沒有被土衛一分解成灰塵雲。藉助「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岩石構成的,正是這些岩石被不斷碰撞後分解成了G環的一部分。科學家解釋說,G環內曾經存在過一顆衛星,但不知是什麼原因,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後一幕。
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於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》雜誌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,它們分別位於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於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,對於F環的研究意義重大,它有助於我們認識其他氣體巨星的環的行為,這種複雜的環與衛星的互動關係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。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隻是其中的最大者,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。這一發現將有助於人類對土星環乃至於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,存在於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雲團,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,它們產生於土星上的雷暴和閃電,另一種解釋則歸咎於隕星的碰撞或太陽風粒子的衝擊。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,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於不久之後得到更加合理的解釋。

4細部結構

土星環最密集的範圍是被卡西尼縫(在1675年被卡西尼發現)分隔的A環和B環,在一起的是有部分愈卡西尼相似,在1850年發現的C環,這些構成了主環。 主環是密集和包含比細小的塵埃環更大的顆粒,後者包含了向內一直延伸至土星雲頂的D環,以及在主環系統外面的G和E環。"塵埃"這個字眼是用來描述散布在環內的小型微粒(通常只有微米的大小);它們的化學組成像主環一樣,幾乎完全都是碎冰。狹窄的F環,就在A環外側的邊緣,很難分類,它的部分非常密集,但也包含很多塵埃大小的顆粒。

5環的細節

名稱
與土星的距離(至中心,單位為公里)
寬度(公里)
命名依據
D環
66 900–74 510
7 500

C環
74 658–92 000
17 500

B環
92 000–117 580
25 500

卡西尼縫
117 580–122 170
4 700
卡西尼
A環
122 170–136 775
14 600

洛希環縫
136 775–139 380
2 600
愛德華·洛希
F環
140 180
30–500

"傑納斯/艾皮米修斯"環
149 000–154 000
5 000
傑納斯和艾皮米修斯
G環
170 000–175 000
5 000

"美索尼"環弧
194 230
?
美索尼
"安德列"環弧
197 665
?
安德列
"帕勒涅"環
211 000–213 500
2 500
帕勒涅
E環
181 000–483 000
302 000

6含量

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,
土星環

  土星環

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。

7發現

1610年,義大利天文學家伽利略觀測到在土星的球狀本體旁有奇怪的附屬物。1659年,
土星環

  土星環

荷蘭學者惠更斯證認出這是離開本體的光環。1675年義大利天文學家卡西尼,發現土星光環中間有一條暗縫,后稱卡西尼環縫。他還猜測,光環是由無數小顆粒構成。兩個多世紀后的分光觀測證實了他的猜測。但在這二百年間,土星環通常被看做是一個或幾個扁平的固體物質盤。直到1856年,英國物理學家麥克斯韋從理論上論證了土星環是無數個小衛星在土星赤道面上繞土星旋轉的物質系統。
土星環位於土星的赤道面上。在空間探測以前,從地面觀測得知土星環有五個,其中包括三個主環(A環、B環、C環)和兩個暗環(D環、E環)。B環既寬又亮,它的內側是C環,外側是A環。A環和B環之間為寬約5,000公里的卡西尼縫,它是天文學家卡西尼在1675年發現的。B環的內半徑 91,500公里,外半徑116,500公里,寬度是25,000公里,可以並排安放兩個地球。A環的內半徑121,500公里,外半徑137,000公里,寬度15,500公里。C環很暗,它從B環的內邊緣一直延伸到離土星表面只有12,000公里處,寬度約19,000公里。1969年在C環內側發現了更暗的D環,它幾乎觸及土星表面。在A環外側還有一個E環,由非常稀疏的物質碎片構成,延伸在五、六個土星半徑以外。1979年9月,「先驅者」 11號探測到兩個新環——F環和G環。F環很窄,寬度不到800公里,離土星中心的距離為2.33個土星半徑,正好在A環的外側。G環離土星很遠,展布在離土星中心大約10~15個土星半徑間的廣闊地帶。「先驅者」11號還測定了A環、B環、C環和卡西尼縫的位置、寬度,其結果同地面觀測相差不大。「先驅者」11號的紫外輝光觀測發現,在土星的可見環周圍有巨大的氫雲。環本身是氫雲的源。
土星環

  土星環

除了A環、B環、C 環以外的其他環都很暗弱。土星的赤道面與軌道面的傾角較大,從地球上看,土星呈現出南北方向的擺動,這就造成了土星環形狀的周期變化。仔細觀測發現,土星環內除卡西尼縫以外,還有若干條縫,它們是質點密度較小的區域,但大多不完整且具有暫時性。只有A環中的恩克縫是永久性的,不過,環縫也不完整。科學家認為這些環縫都是土星衛星的引力共振造成的,猶如木星的巨大引力攝動造成小行星帶中的柯克伍德縫一樣。「先驅者」11號在A環與F環之間發現一個新的環縫,稱為「先驅者縫」,還測得恩克縫的寬度為876公里。由觀測闡明土星環的本質,要歸功於美國天文學家基勒,他在1895年從土星環的反射光的多普勒頻移發現土星環不是固體盤,而是以獨立軌道繞土星旋轉的大群質點。土星環掩星並沒有把被掩的星光完全擋住,這也說明土星環是由分離質點構成的。1972年從土星環反射的雷達回波得知,環的質點是直徑介於4到30厘米之間的冰塊。

8新環

據英國每日郵報報道,日前,天文學家通過美國宇航局「斯皮策」太空望遠鏡觀測到土
土星環

  土星環

星「超級尺寸」的環狀結構,之前他們未曾探測到。經測量該環狀結構的垂直高度為土星直徑的20倍,而土星的直徑是地球的9倍。這個神秘的環狀結構可以容納10億顆地球!

9光環消失

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,彷彿消失了,它變成了一條細細的直線。1610年,當伽利略將他自製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,光環的兩端彷彿像兩隻「耳朵」,當時的伽利略並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,並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,彷彿一圈圈色彩亮麗的跑道環繞著其間巨大的土星。
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。
土星環的結構極為複雜,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,彷彿一張巨大無比的密紋唱片,其上的光環成千上萬。關於它們的形成,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雲的一部分,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。

10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,也許就產生於地球上的恐龍時代,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於一種簡單的常識,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,土星環雖存在於無垠的宇宙中,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麼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,土星環並不是總是在那裡的,它大約產生於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,它們的碎片環繞於土星,形成了土星環。
然而隨著「卡西尼」號對土星環的觀測日益細緻,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,有些細於沙粒,有些大於巨石,環里的團塊夾雜著冰和岩石,在環內物

美麗的光環

美麗的光環
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,所以土星環看起來並不暗淡。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,並且不會很快消失,這樣的環在宇宙中也似乎是不容易見到的。人們知道,行星有環並不是稀有的現象,在太陽系裡,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,宏偉並且如此神奇。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年的土星環也許並不迷人,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」的景色並非常有。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,此後,美麗的土星環又將重現了。
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