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土星環寬度長達20萬千米,厚度卻僅30米!它究竟是如何形成的?
2023/10/20

有不少80后在網上回憶,說小時候在晴朗的夜幕下,看到過土星周圍像草帽沿一樣的光環,即大名鼎鼎的土星環。

對于網友的回憶,也有人表達的異議。有人認為是腦補的成分,因為地球距離土星太遠,肉眼能看到的也就是顆星星。還有人調侃,說要真能肉眼可見土星環,只能是眼睛散光了。

雖然肉眼確實看不到土星環,但是肉眼可見到的土星,呈現出一種淡淡的黃色。這便是我國古代,在以五行命名行星的時候,為何用「土」來給它命名的緣故。

(卡西尼號探測器于2006年拍攝的土星環全貌)

有意思的是, 古代的東西方對于行星的命名和象征意義并沒有交流,但西方對于土星的神話理解,跟農業以及農神有關,這似乎跟我國對土星的理解,存在著某種異曲同工之妙。

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等到伽利略用望遠鏡更清晰的觀測到土星的時候,那一圈圈圍繞在土星周圍的環狀物,又為它披上了一層神秘的面紗。

土星環是獨一無二的

土星環的獨特之處在于,與太陽系其他行星的環狀物比起來,它最突出也最明顯。其他的行星比如木星、天王星、海王星也有光環,可壯觀程度卻不及木星。

伽利略第一次看到這些光環的時候,是在四百多年前。當時,他或許只被這些奇妙的光環所震撼到了,并沒有仔細去數算這些光環有多少。

(由于望遠鏡倍數低,外界猜測伽利略當年看到土星環的樣子,看起來像「耳朵」)

還有一種可能是,由于彼時望遠鏡的倍數很低,伽利略能看到的土星環,也就是一種十分模糊的類似于星云的東西。

這里還要再提一下,伽利略當時用倍數較低的望遠鏡,發現并觀測土星環就已經相當吃力了,所以那些說用肉眼就能看到的,確實也不太可能。

伽利略是第一個看到土星環的人,但并非第一個看清土星環本質的人。直到45年后,另一位天文學家惠更斯,才借助更高倍數的望遠鏡,看清楚了土星環是盤狀物的人。

又過了20年,喬瓦尼·卡西尼不但看見了土星環,而且還發現了各環狀物之間存在縫隙。

其中最明顯的縫隙存在于A環到B環之間,後來就以卡西尼的名字被叫做卡西尼縫,這條縫隙的寬度,達到了驚人的4800公里。

對于土星環的觀測,肯定是越往后世越看的清晰,而有意思的是,第一個看到它們的伽利略,當時他非但沒有看出那是圍繞在土星周圍的環狀物,而且還認為土星不是單一的個體,那些環是共同構成土星的三個部分。

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伽利略將這些環看作是土星的耳朵,更讓他看到困惑的是,等後來再觀測的時候,這些「耳朵」似乎消失不見了,伽利略認為是土星吞掉了自己的孩子。可等一段時間后再觀測,他又看到那些耳朵重新出現了,這更讓伽利略感到疑惑。

現在的人們才知道, 由于土星運行的緣故,一旦環形面處在與地球平行的角度,從地球上看起來,就會感到它們仿佛「消失」了一般。從能看到光環,再到光環逐步縮小消失,這中間的周期為15年。

圍繞在土星周圍的環一共有7條,根據發現它們的先后時間,後來就用字母A、B、C等來命名了。最先被發現的A環并非距離土星最近,後來被發現的D環才是最近的。

全部觀測到它們,從正面看到它們的全貌,直到後來人類發射了卡西尼號探測器才實現了。

土星環有多條,每條之間還存在縫隙,土星運行的過程中,這些環狀物也繞著土星日夜不停的運轉。你或許想問,這些環狀物究竟是什麼?

土星環是怎麼形成的

皓月星空,凡是肉眼看到的星星,在運轉的時候都會產生引力,土星也不例外。圍繞在它周圍的環狀物,現今能觀測到的,就是水冰、塵埃以及其他物質。它們呈現出一種叢集的狀態,在特定軌道上圍繞土星不停運轉。

根據天文學家的研究,現在普遍的看法是,這些數以億計的物質,在億萬年前其實也是以整體的形態出現的。根據構成成分的不同,它們有可能是彗星,也可能是小型的衛星。

就像月球繞著地球運轉一樣,原本這些小星體也在繞著土星運轉,但不知道哪一天,由于土星巨大的引力,

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其中的一些星體就被土星撕裂吞噬了,殘留下來的物質,就成了圍繞土星運轉的土星環。

這一假設成立的話,倒是和伽利略當初認為的「土星吃掉了自己孩子」的看法有某種相似之處。

也有一種觀點認為, 土星四周圍的環狀物,是土星自己通過億萬年的時間運行「捕捉」到的。其強大的引力,每當有彗星和小行星從身邊飛過,土星都會將其吸住,這些物質一并構成了土星的光環。

(土星北極點正在形成的颶風,光是風暴眼的直徑就達到了2000公里)

時至今日,關于對土星環的探測,天文學家能大致了解的因素,可能上述兩種原因都有。

因為各條環之間的縫隙,而且縫隙的距離始終保持恒定,讓天文學家在破解它們的過程中,發現了隱藏在其中的衛星。

這些縫隙的形成,就是由于衛星產生的軌道共振引起的波動造成的。

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不過,這僅僅是對其中部分縫隙的形成推測出來的結果,其他一些縫隙的成因,目前還在研究中。

如此一來,土星在運轉,土星環繞著它在運轉,某些縫隙中的衛星也在運轉,由于土星和衛星各自存在引力,兩種力就會對土星環形成拉扯,于是有些縫隙比如卡西尼縫就顯得很寬。

(歷史上惠更斯關于土星環的研究理論)

從先后發現來看,土星環分別為D、C、B、A、F、G和E環,各環之間存在縫隙,各環的寬度也大小不等。

縫隙、暗帶、星環雨

目前, 已知的土星衛星有146顆,最大的土衛六也就是泰坦,它是土星最大的衛星,其半徑為2575公里。土衛六也是太陽系中第二大衛星,排名第一的是木衛三,其半徑為2634公里。

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和地球比起來,土星就像是一個土豪,畢竟地球只有一顆衛星,而圍繞土星的是一百多顆。但除了泰坦之外,其他衛星的體積都很小,有的直徑甚至在20公里以下。也正是因為有這些衛星的存在,才使得土星環之間的縫隙是如此的恒定。

因為環狀物的襯托,縫隙在觀測中是幽深而黑暗的,因此又被稱之為暗帶。軌道共振,是天體在相互運行的時候,產生了周期性的引力作用。引力會各自影響到對方,土星和各個比較大的衛星之間,就存在這樣的情況。

(卡西尼號和土衛二)

好比兩個人在拉扯,環狀物就是被拉扯的部分,其中的部分,被拉向了接近土星的軌道,另外的小部分,又會被衛星捕獲,相互間的拉力產生的波動,最終導致了縫隙的出現。

從外面看起來,土星環以及各條縫隙是靜止的,就像是沉睡一樣,然而環狀物的內部以及縫隙中,永遠是疾風驟雨般的場景。

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由于構成環狀物的成分中有水冰,所以內部似乎每分每秒都在下雨,這種被稱為星環雨的現象,其蘊含的能量,猶如地球上每秒降下了10噸的雨。

卡西尼號探測器曾置身其中觀測過,其中很多水分,又被環狀物產生的巨大力量給吸走了。看來,環繞著土星整個的行星環系統,它的內部永遠處于變動和整合。

(另一個探測器航海家2號拍攝到的土星環)

土星環的年紀有多大了

天文學家測算土星的年齡為45億歲,而對土星環形成的時間,長期以來也曾出現過各種觀點。

起初的一些觀點是,土星在誕生之日起,土星環就相伴左右,就像父母兒女共生一樣,兩者已經相伴了數十億年。

不過,這種觀點在過去僅僅是假說,由于不了解土星環物質的成分,所以也難以測算其年紀。

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直到後來卡西尼探測器對土星展開探測之后,通過對土星環的探測和了解,天文學家才逐步掌握了更多的新情況。

那麼,卡西尼探測器是怎麼測算的呢?它在土星和土星環之間,做了22次的俯沖動作。因為在接近土星的過程中,就能感受到土星的重力場,如此一來,土星和土星環之間就會形成兩股對探測器的拉力。

通過對每種拉力進行測算,就能算出土星和土星環的質量,進而再對比質量的大小,就能確定兩者是否生成于同一時期。

而通過俯沖動作并分析了相關的數據后,天文學家發現,土星環的質量要比土星的質量輕很多。

比如土星的主環B,原本以為它的質量很大,甚至比其中一些衛星的質量還要大。可經過俯沖得出的數據卻發現,它的質量和衛星的質量不相上下,僅僅比其中土衛一的質量高了0.

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4倍。

(土衛六)

質量如此之小,那就不可能是跟土星在同一時期形成的。2017年,卡西尼號探測器能量即將耗盡的時候, 天文學家得出土星環的年齡為1億年左右。2019年新的觀點又發現,土星環的年紀在1.5億年到3億年之間。

總的來說,它的年紀和土星本身比起來,還是小太多了。天文學家認為, 目前的人類,正好生活在土星環生成并存在的特殊時期。

這句話的意思就是說, 土星環處于變動狀態,并不一定會永遠存在。只是以當下人類的壽命來衡量的話,我們及其短暫的存在時間,看不到未來它會發生某些變化。

也許在未來的某一天,這些環狀物最終會擺脫土星的引力,最終消散在茫茫的宇宙中。又或許,這些環狀物會逐步凝聚形成一個新的星球天體。總之,茫茫宇宙星體和塵埃永遠在變動。

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結語

卡西尼號探測器1995年發射,2004年進入了土星的軌道。與探測器一并升空的,還有在後來登陸土衛六的惠更斯號航天器。兩艘航天器,是以歷史上發現并觀測過土星環的卡西尼和惠更斯命名的。

地球到土星的距離為13億公里,卡西尼號探測器從飛行到土星再到環繞土星運行,它的飛行距離為79億公里。

在13年的探索中,它傳送回地球的各類照片有45.3萬張,搜集到的數據一共有635GB,通過分析各類數據而發表的科學文章有3948篇。

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隨著2017年探測器壽終正寢,標志著它的探測土星之旅也落下了帷幕。未來,人類應該還會發射各種探測器,對包括土星在內的太陽系各大行星進行觀測研究。

太陽系的每個行星,都是獨一無二的存在,而更深邃的宇宙外太空,其獨具特色的一面,也始終在召喚者我們。


參考資料:

《土星的這個「草帽」 居然藏著行星形成的秘密》 科技日報 2019年8月8日
《新研究顯示土星環與土星相比顯得異常年輕》 新華網 2023年5月14日
《卡西尼-惠更斯號13年土星之旅 人類發現了什麼》 BBC 2017年9月16日
《明天這個時間,土星憑肉眼可見!》 環球網 2020年7月20日

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