土星光环

土星最让人着迷的便是美丽的土星环。

伽利略在1610年用自制望远镜观察土星时，发现土星有两个“耳朵”。他误认为土星可能是由一大二小三个天体组成，怀疑这两耳朵是两颗卫星。但他一直不敢将观察结果发表，其原因是“卫星”并没有绕土星公转，似乎永远停留不动。而更令他惊奇的是那两颗“卫星”两年后竟然失踪，三年后又重新出现。

半个世纪后，荷兰天文学家惠更斯（Christiaan Huygens)用更大更好的望远镜进行观测，才揭开了这个谜。原来那两颗“卫星”是与土星不相连接、环绕在土星赤道面上的光环。这光环由无数形状、大小不等，直径在7.6厘米～9米之间的冰块组成，以很快的速度围绕土星运转，在太阳光的照耀下呈现出各种颜色。光环的直径达27万千米，厚度为10千米左右，自东向西自转。1675年，意大利天文学家卡西尼（Giovanni Domenico CAssini）发现光环中有一圈空隙，这就是著名的卡西尼环缝。

土星环的结构在17～19世纪被陆续发现。到20世纪80年代初，至少3个探测器对土星“走马观花”，发现环的结构极为复杂。人们根据地面观测和空间探测，把土星环划分为7层。距土星最近的是D环，亮度最暗；其次是C环，透明度最高；B环最亮；最后是A环。在A环和B环之间就是著名的卡西尼环缝，缝宽约5000千米。在A环之外有E、F、G三个环，最外层的是E环，十分稀薄和宽广。

“旅行者1号和2号”探测器把土星环的近距离照片送回后，科学家们非常吃惊：原来每一层又可细分成上千条大大小小的小环，即使被认为空无一物的卡西尼缝也存在几条小环。在照片中可见到F环有5条小环相互缠绕在一起。土星环的整体形状类似一张巨大的密纹唱片，从土星的云顶一直延伸到32万千米远的地方。光环的颜色远看是红棕色，其实每层都稍有不同，C环是蓝色，B环内层为橙色，外层为绿色，A环为紫色，卡西尼缝是蓝色的。

土星的自转轴和地球一样，也是倾斜的，土星的轴倾角是26.73°，地球则是23.45°。由于土星的光环和赤道是在同一平面上，所以它是对着太阳（也对着我们）倾斜的。当土星运行到其轨道的一端时，我们可由上往下看见光环近的一面，而远的一面仍被遮住。当土星在轨道的另一端时，我们就可由下往上看到光环近的一面，而远的一面依然被遮住。土星从轨道的这一侧转到另一侧需要14年多一点。

在这段时间内，光环也逐渐由最下方移向最上方。行至半路时，光环恰好移动到中间位置，这时我们观察到光环两面的边缘连接在一起，状如“一条线”。随后；土星继续运行，沿着另一半轨道绕回原来的起点，这时光环又逐渐地由最上方向最下方移动；移到正中间时，我们又看见其边缘连接在一起。因为土星环非常薄，所以当光环状如“一条线”时就好像消失了一样。1612年年底伽利略看到的正是这种情景；据说由于懊恼，他没有再观察过土星。

1675年，J.D.卡西尼发现，土星环并不是一个完整的光环。在光环的周围有一条暗线，把光环分成内外两部分。外面的一部分比较窄，而且不如里面那一部分亮，看起来像是两个环套在一起。从那以后，土星环一直被认为是由几个环组成的，叫卡西尼缝。

1826年，德国血统的俄国天文学斯特鲁维把外面的环命名为A环，把里面的环命名为B环。1850年，美国天文学家W.C.邦德宣称，还有一个比B环更靠近土星的暗淡光环。这个暗淡光环就是C环，C环与B环之间并没有明显的分界。

在太阳系的任何地方都没有像土星环那样的东西，或者说，用任何仪器我们也看不到任何地方有像土星环那样的光环。诚然，我们知道，围绕着木星有一个稀薄的物质光环，且任何像木星和土星这样的气体巨行星都可能有一个由靠近它们的岩屑构成的光环。然而，如果以木星的光环为标准，这些光环都是可怜而微不足道的，而土星的环系却是壮丽动人的。从地球上看，从土星环系的一端到另一端，延伸269,700公里（167,600英里），相当于地球宽度的21倍，实际上几乎是木星宽度的2倍。土星环到底是什么呢？J.D.卡西尼认为它们像铁圈一样是平滑的实心环。可是，1785年拉普拉斯（后来他提出了星云假说）指出，因为环的各部分到土星中心的距离不同，所以受土星引力场吸引的程度也会不同。这种引力吸引的差异（即我前面提过的潮汐效应）会将环拉开。拉普拉斯认为，光环是由一系列的薄环排在一起组成的，它们排列得如此紧密，以致从地球的距离看去就如同实心的一样。

可是，1855年，麦克斯韦（后来他预言了电磁辐射宽频带的存在）提出，即使这种说法也未尽圆满。光环受潮汐效应而不碎裂的惟一原因，是因为光环是由无数比较小的陨星粒子组成的，这些粒子在土星周围的分布方式，使得从地球的距离看去给人以实心环的印象。麦克斯韦的这一假说是正确的，已无人提出疑义。

法国天文学家洛希用另一种方法研究潮汐效应，他证明，任何坚固的天体，在接近另一个比它大得多的天体的时候，都会受到强大的潮汐力作用而最终被扯成碎片。这个较小的大体会被扯碎的距离称为洛希极限，通常是大天体赤道半径的2.44倍。这样，土星的洛希极限就是2.44乘以它的赤道半径60,000公里，即146,400公里，A环的最外边缘至土星中心的距离是136,500公里（84,800英里），因此整个环系都处在洛希极限以内。（木星环也同样处在洛希极限以内。）

很明显，土星环是一些永远也不能聚结成一颗卫星的岩屑（超过洛希极限的岩屑会聚结成卫星——而且显然确实如此），或者是一颗卫星因某种原因过分靠近土星而被扯碎后留下的岩屑。无论是哪一种情况，它们都是余留的一些小天体。（被作用的天体越小，潮汐效应也就越小，碎片小到某个程度之后，就不再继续碎裂了，除非两个小天体相互间偶尔碰撞。）据估计，如果将土星环所有的物质聚合成一个天体，结果将会是一个比我们的月亮稍大的圆球。

因此这美丽的土星光环就有了其特殊的寓意：矢志不渝的爱情。据说两个相爱的人在土星光环的见证下将会永永远远。

自从意大利著名天文学家伽里略在1609年首次用望远镜观测星空以来，新的发现经他之手接踵而至。1610年7月，他把望远镜对准了土星。在这架放大倍数只有30倍而又不完善的望远镜中，伽里略看到土星两旁有某种奇怪的附属物。实际上他所观测到的便是土星两侧的光环部分。但是，伽里略并没有认识到这一点。鉴于在这之前他已经发现了木星的四颗大卫星，于是便相信土星两侧也有两个卫星之类的小天体。然而，由于情况不如木星卫星那样明白无疑，伽里略没有直截了当地宣布这一发现。任何一位科学家在感觉到将要作出一项重要发现之时，往往会为两种感情所支配：一方面怕别人走在自己的前面而想尽快地发表它，另一方面又担心会犯大错误而不想轻率地过早加以发表。在伽里略时代学者们为此往往采用一种称为"字母颠倒法"的密码记录方式来简要地记载自己所作出的发现，这种记录除了发现者本人外几乎谁也无法加以破译。当发现者过一段时间后确证了这项发明之时，便把自己早已写好的那份"天书"译出来，从而保留了对该项发现的优先权。

伽里略对他的土星观测结果便采用了这种方法。他当时所做的记录是由39个拉丁字母混乱排列的一长排符号串，其真实含义是"观测到一颗最高的三重行星"。这里"最高的"即指土星，因为土星是当时所知离太阳最远的行星。1659年，荷兰科学家惠更斯证实伽里略观测到的是一个离开土星本体的光环。但他开始时也象伽里略一样采用了字母颠倒的密码记录法，不过形式稍有不同，用了总数为62个拉丁字母的若干符号串。三年后当他确信自己结论正确时才宣布了这组符号串的意义是"土星周围有一个又薄又平的光环，它的任何部分与土星不相接触，光环平面与黄道面斜交"。

惠更斯以后，人们经历了漫长的过程才对土星环的本质有了正确的认识。在最初的两百年内，土星环一直被认为是一个或若干个扁平的固体物质盘。1856年英国物理学家麦克斯韦首先从理论上证明这种环必须是由围绕土星旋转的一大群小卫星组成的物质系统，而不可能是整块固体物质盘。40年后，美国天文学家基勒通过观测发现，土星环不同部分的旋转速度随到土星中心距离的增大而减小，并且符合开普勒运动定律。如果是刚体转动，则转速因随距离的增大而增大。这样就无可辩驳地证实了环是无数个各自沿独立轨道绕土星旋转的大小不等的物质块，从而最终阐明了土星环的本质。事实上当远方恒星在环后经过时星光并没有多大的减弱，这也说明它不是一整块东西，而是一些稀疏分布的分离物质块。现已知道组成环的小"卫星"大都是一些直径为4~30厘米的冰块，总质量约为土星质量的百万分之一。环极冷，据探测温度低达-200℃左右。

根据地面和空间观测结果得知，土星环系的主体含有A、B、C、D、E、F和G七个环以及环与环之间称为环缝的一些暗区。环编号的次序是根据发现时的先后，而不是按它们离土星本体的远近来确定的。环缝则通常以发现者的名字来命名，它们是一些质点密度相对很小的区域。最里面的是D环，内侧几乎触及土星表面，宽约为12000公里，与C环内缘隔开一个1200公里宽的盖林缝。C环很暗，宽约19000公里。C环外是既宽又亮的B环，它与C环相隔一条宽1800公里的法兰西缝，宽度约为25000公里，可以并排放上两个地球。再往外就是A环，亮度仅次于B环，宽约15500公里。A、B两环间是宽度为5000公里的卡西尼环缝，由著名天文学家卡西尼于1675年发现。卡西尼缝是永久性的环缝，另一条永久性环缝为A环中的恩刻环缝，宽度只有876公里。其他环缝既不完整又具有暂时性。A环向外依次为F、G和E环。其中F环很窄，宽度仅为30公里，它与A环间宽约3600公里的空缺区取名为"先锋缝"。F环和G环都是空间飞船发现的。E环的情况比较复杂，物质分布呈现某种结构，宽度超过8万公里，一直延绵到离土星表面20万公里以远的空间中。

土星环系的总宽度超过20万公里，而最大厚度却不超过150米，真可谓"其薄如纸"！无怪乎当它以侧面对我们时会消失殆尽，这一点也曾使伽里略对自己的发现产生怀疑呢！关于环的起源至今未有定论，一种最流行的观点认为，当一颗卫星离开土星太近时会为土星起潮力所瓦解，其结果便形成今天的光环。

巨大的光环使土星成为太阳系里一颗非常美丽的行星。土星的光环其实可分成几个不同的部分，最明亮、宽阔的是A环和B环，较暗的是C环。光环的各部分之间有明显的裂缝，最大裂缝的是A环和B环间的CAssini裂缝，它是由Giovanni CAssini在1657年发现的。

A环内的Encke缝则是由JohannEncke1837年发现的。通过飞船的探测，人们还发现较宽的光环其实是由许多狭窄的小环组成的。光环的形成原因还不十分清楚，据推测可能是由彗星、小行星与较大的土卫相撞后产生的碎片组成的。

光环可能含有大量的水份，构成它们的是直径从几厘米到几米的冰块和雪球。某些光环，如F环的结构在邻近的卫星引力拉扯下结构发生了细微的变化。科学家在“旅行者”号飞船发回的一张图片中发现，土星宽阔的B环上带有放射状的阴影，但在“旅行者”号此后拍摄的其他图片中却没有。

据推测，这一现象可能因为光环在某些时候带有静电，漂浮在宇宙中的尘埃被吸附而造成的。

据国外媒体报道，数百年来，全世界的天文学家们一直在尝试着研究和查明土星光环的结构。同时，这些光环的成因则更显得神秘莫测。不过，“卡西尼”号探测器传回的最新观测数据最终揭开了土星光环的“身世”——它们在数亿年前均曾是土星的卫星，发生分解并演化为的带状结构。

那些曾经的卫星已演化为体积相对平均的小石块、灰尘和气体。正如天文学家们所指出的，这一演化过程至少可以在土星的一条光环——G环上得到验证。

科学家们在研究过程中发现，位于土星光环群外侧的G环还受到了土卫一引力的影响。美国宇航局的专家们指出，土星G环由于距离其他环较远，因此直到1979年才被飞经土星的“先驱”号探测器偶然发现。当时在科学家中间立刻产生了一个疑问：为什么这条光环距离土卫一如此之近，却并未分解为尘埃状的云团(土卫一的直径为400公里，距离G环约15000公里)。

借助“卡西尼”号获取的最新数据，科学家们终于可以为这一谜题给出答案。这是由于，在G环的内侧存在着一个明亮的弧状结构，NASA的专家们认为，该弧线是由一些直径为数十米的大块岩石组成的。这些相对较大的岩石在微型陨石的不断轰击下逐步分解并不断演化为光环的一部分。

不过，如果G环中的所有“大型”天体能够融合为一个整体，那将会形成一个新的卫星。NASA认为，这颗卫星确实曾经存在过。

NASA埃姆斯研究中心的杰夫·库兹表示：“在土星G环中确实曾存在过一颗卫星。但不知何时，它发生了解体，并演化为一条由冰块和碎石构成的光环。现在，我们可以清楚地看到这些前卫星的残骸是如何环绕土星运动的。”

G环中的那些大型天体正受到来自土卫一的弱引力作用。“卡西尼”号已清楚地记录下了这种引力的存在。

不过，科学家们也指出，在G环和土卫一之间存在着相互间的引力作用，并由此产生了所谓的“共振效应”。据推算，G环中的这些较大天体将会不断发生分解并平均分散到整个轨道上。由此同时，由于这些天体的消失，土卫一受到的引力将会减小，并有可能逐渐远离土星轨道。

6月7日，美国国家航空航天局在华盛顿展示了一组哈勃太空望远镜从1996年到2000年间拍摄的土星照片。该组照片（从左下到右上）展现了土星北半球从秋分到冬至这段时间内光环的各个形状。土星赤道与其运行轨道成27度斜角，与地球的23度角十分相似。土星的光环仅10米厚，之所以略带红色，是因为它由有机物和冰构成。天文学家们正在研究这组照片，分析土星光环色彩和亮度的具体细节问题。

土星外围的光环是一堆岩石，因为地球排第3位而太阳系的陨石堆都在火星与木星距离的空间或在海王星以外，它们都受太阳影响围绕。因为土星与木星都有非常强大的引力能吸引它们，而地球不仅远离它们又没有土星与木星这么大的质量，所以地球是不可能拥有的。

土星超级光环1671年，天文学家卡西尼发现了土星的卫星“土卫八”。但是接下来的三十多年里，卡西尼仅在土卫八运行到土星西侧轨道时观测到它，但运行到土星东侧轨道时却无法观测到。1705年，卡西尼终于在土星东侧轨道观测到了土卫八，发现土卫八在东侧轨道的亮度是在西侧轨道时亮的的六分之一。随后卡西尼提出了土卫八“阴阳脸：”认为土卫八肯定是有一面永远朝向土星，所以土卫八黑白两面位置是不变的，土星的“前脸”肯定要比“后脸”暗淡许多。然而事实上土卫八亮面的反射度要比暗面高出10-20倍，情况甚至比卡西尼曾经想象过的还要强烈，因为亮面和暗面两个半球之间的划分并不跟土卫八的轨道完全重合。

2009年，来自马里兰大学帕克学院的科学家道格拉斯-汉密尔顿提出了土星无形环概念，解释了为什么土卫八拥有“阴阳脸”：一面是黑暗，另一面是苍白的颜色。研究小组怀疑土卫八的异常现象可能与看不见的物体有关，当然在土星周围可能存在的隐藏物体最大可能性为环结构。土卫八被土星强大的引力潮汐锁定，这意味着它一面是完全朝向土星的，跟月球一样自转周期与公转周期相同。但科学家发现土卫八黑暗的那一面有点特别，似乎被一层黑色的物质覆盖，这些物质被认为来自看不见的环。更有可能的是，在土卫八的外层还有土卫九，跟土星的其他所有卫星不同，土卫九是以相反的方向环绕土星运行的，它距离土星非常遥远，而且最重要的是，它非常非常黑。此外，土卫九在很长的时间里不断散发出稳定的颗粒流，因为太阳的辐射和轻微的碰撞足以让尘埃颗粒脱离土卫九疏松的表面。

2009年，美国NASA使用斯皮策太空望远镜（NASA Spitzer Space Telescope）和广角红外巡天探测器对土星观测的时候发现，在土星外围有一个巨大的隐形光环，并命名其为“菲比环”（又称“土卫九环”）。菲比环平面与土星主光环面成27度倾角，内侧距离土星约603万公里，宽度约965万公里。它的直径相当于300倍土星的直径，在其轨道上可排列170颗土星，整个环状区域包裹的范围是土星所占空间的7000倍左右。这个环比迄今发现的所有行星环都要更大、更分散和更稀疏。光环区域温度较低，仅有零下193摄氏度，但却散发出热辐射，因此被斯皮策望远镜探测到。这个看不见的光环由尘埃构成，结合星体运行情况和土卫八“阴阳脸”的奇观，构成这个超大光环的尘埃很大可能性就是来自于“土卫九”。

在对土星B环质量进行的一次测算中，科学家们发现B环的一部分区域质量低于预期。一个研究组发现B环中透明度最差的部分并未如预期的那样质量更大一些。甚至B环整体的质量也低于科学家们预期。尽管B环的一部分区域的物质密度要比临近的另一条光环A环的密度要大10倍，但其质量只比对方多了2—3倍。

据英国广播公司(BBC)网站报道，相关结果已经发表在近期出版的科研期刊《伊卡鲁斯》上。为了理解B环的质量问题，科学家们对所谓“螺旋密度波”进行了分析。这种波的结构模式直接受到光环质量大小的影响，因此对这种波的结构进行测量将让科学家们能够反推出光环的质量，就像给光环“称重”。

对土星光环结构的深入了解将有助于精确估算其形成时间。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的琳达·斯皮尔克(Linda Spilker)指出：“通过首次对土星B环进行精确称重，我们朝着准确判断土星光环的年龄和起源又迈出了坚实土星B环是土星一系列主环中最不透明的一道一步。”他说：“土星的光环是如此巨大，令人赞叹。它究竟是如何形成的？我们无法抑制想要知道这个问题答案的渴望。”

科学家着重研究了土星的B环。这是土星环中最亮，也是透明度最低的一道。

结果发现，虽然B环的透明度各处不同，但它们的物质浓度却并没有产生多大变化。他们首次对B环中心几乎不透明部分的质量进行了测量。从技术的角度说，他们是通过分析螺旋密度波，来测定多处的质量密度。这些结构精巧的土星环是在土星及其卫星引力的共同作用下形成的。环中波纹的结构，与该处质量浓度直接相关。

科学家还不知道透明度不同的物质为何拥有相同的质量。它可能与微粒的大小或稠密度有关，也有可能与环的结构有关。

这张切图展现了土星主环系统的部分结构。主要名称和特点已用文字标出。

外表有时候会骗人。就好像雾蒙蒙的牧场肯定没有游泳池来得透明，但是游泳池的密度更高，也拥有更多的水。

对土星环质量的研究对于揭示它们的年龄也非常重要。质量低的环会比质量高的环演化速度更快，也会在陨石等影响下迅速变黑、变暗。因此，B环的质量越低，它就越年轻。其年龄可能只有几百万年，而不是通常以为的几十亿。

为B环的核心部分“称重”，是人们逐渐了解土星环年龄及其起源的重要一步。土星环是如此壮观，以致于人们B环某些部分与A环相比其不透明度要高出10倍总想问个明白，它究竟是从何而来的？

太阳系所有的巨行星都有环，但土星环与众不同。了解土星环为何如此明亮和巨大，是在了解它们形成和发展过程中所要面对的最重要挑战。对科学家而言，环中各部分的物质密度，是获知其形成过程的关键。

早前的研究显示，B环中所含的物质比科学家曾经以为的要少。新的分析则首次直接测出了环中的物质密度，进而证实了这一猜想。

土星B环的某些部分与相邻的A环相比，其不透明度要高出10倍，但B环的质量只是A环的2至3倍。

这一分析采用了一种新的技术。卡西尼可见光和红外测绘光谱仪透过土星环，指向一颗位于其后方的恒星进行了数据采集。将多次观测结果合并后，就能将原本不明显的螺旋密度波展现出来。

分析结果还显示，B环的平均密度要低于预期。这是一个非常令人震惊的结果，因为B环的某些部分透明度要比相邻的A环低将近10倍，而B环的质量可能只有A环的2到3倍。在阳光照射下，B环是土星环中最明亮的一道

尽管B环的质量非常低，但它仍然占去了整个土星环系统质量的大部分。人们还将着手对环的质量总和进行更为精确的测量。卡西尼号探测器曾经对土星的引力场进行过探测，获得了土星及其环系统质量总和的数据。2017年，在卡西尼号使命的最后阶段，它将从土星环内部飞掠土星，对土星本身的质量进行单独测定。两次测量数据的差异，就是土星环的真实质量。