土星環(huán)現(xiàn)新顏

張唯誠(chéng)

2009年的大部分時(shí)間，當(dāng)你拿起望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)土星時(shí)，也許你會(huì)有些失望，因?yàn)槟銜?huì)發(fā)現(xiàn)，這頂“空中草帽”中的最好看的部分——帽沿兒，也就是土星環(huán)，仿佛消失了，它變成了一條細(xì)細(xì)的直線。1610年，當(dāng)伽利略將他自制的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)土星時(shí)，他看到的就是土星環(huán)將要變成一條直線時(shí)的情景。在他的望遠(yuǎn)鏡里，光環(huán)的兩端仿佛像兩只“耳朵”，當(dāng)時(shí)的伽利略并沒(méi)有意識(shí)到那是土星的光環(huán)，他認(rèn)為土星是由大小不一的三顆星組成的。直到半個(gè)世紀(jì)后，這個(gè)疑團(tuán)才由惠更斯解開(kāi)，他用更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)了土星，并宣布土星具有一個(gè)光環(huán)。

消失的光環(huán)

土星環(huán)給人最為強(qiáng)烈的印象是：異常明亮且薄如紙。2007年初，“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)器運(yùn)行到一個(gè)可以俯視整個(gè)土星環(huán)的軌道平面上，它這時(shí)發(fā)回的照片展示了土星環(huán)整個(gè)環(huán)系的全貌，它環(huán)環(huán)相連，仿佛一圈圈色彩亮麗的跑道環(huán)繞著其間巨大的土星，此前人類未嘗用這樣的視角觀察過(guò)土星環(huán)，科學(xué)家們因此十分激動(dòng)。

根據(jù)科學(xué)家們先前的估計(jì)，如果將組成土星環(huán)的材料做成一個(gè)星球，這個(gè)由塵埃和冰構(gòu)成的星球可以做得和土衛(wèi)一一般大小。土衛(wèi)一的直徑為390千米，而土星環(huán)的寬度達(dá)25萬(wàn)千米，如此來(lái)說(shuō)，土星環(huán)的平均厚度只有幾十米。不過(guò)近來(lái)科學(xué)家們對(duì)土星環(huán)的質(zhì)量和密度有了新的看法，他們發(fā)現(xiàn)土星環(huán)雖然看起來(lái)很平滑，但很多地方其實(shí)是由塊狀物構(gòu)成的，這表明人們可能低估了土星環(huán)的質(zhì)量和它的物質(zhì)密度。

土星環(huán)的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，它的內(nèi)側(cè)多塵埃，而外側(cè)則以水冰為主。它的主環(huán)根據(jù)離土星從近到遠(yuǎn)的順序分別被命名為D、C、B、A、F、G和E。其實(shí)，土星環(huán)可以說(shuō)多得數(shù)不勝數(shù)，仿佛一張巨大無(wú)比的密紋唱片，其上的光環(huán)成千上萬(wàn)。關(guān)于它們的形成，現(xiàn)在的觀點(diǎn)有兩種，一種是由法國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德華·洛希提出的，他認(rèn)為土星環(huán)曾是土星的一個(gè)衛(wèi)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(huán)。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，土星環(huán)是土星形成之初原始星云的一部分，這個(gè)理論一直不為多數(shù)人所接受，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為土星環(huán)的年齡只有幾百萬(wàn)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(huán)相當(dāng)古老，它可能已經(jīng)存在45億年了。

環(huán)辨

不過(guò)將土星環(huán)說(shuō)成由衛(wèi)星演變而成也許并沒(méi)有錯(cuò)，通過(guò)“卡西尼”號(hào)2007年傳回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家至少在土星的一條光環(huán)——G環(huán)上找到了足以驗(yàn)證這個(gè)理論的依據(jù)。G環(huán)位于土星環(huán)的外側(cè)，1979年，“旅行者”號(hào)飛經(jīng)土星時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了這條環(huán)，環(huán)的附近就是土衛(wèi)一，它離G環(huán)只有1.5萬(wàn)千米，可是G環(huán)卻并沒(méi)有被土衛(wèi)一分解成灰塵云?，F(xiàn)在，借助“卡西尼”號(hào)發(fā)回的數(shù)據(jù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，G環(huán)的內(nèi)側(cè)有一道明亮的弧狀結(jié)構(gòu)，它是由直徑數(shù)十米的巖石構(gòu)成的，正是這些巖石被不斷碰撞后分解成了G環(huán)的一部分。科學(xué)家解釋說(shuō)，G環(huán)內(nèi)曾經(jīng)存在過(guò)一顆衛(wèi)星，但不知是什么原因，它解體了，演化成了環(huán)，而“卡西尼”號(hào)恰巧看到了這個(gè)演化過(guò)程的最后一幕。

與G環(huán)相鄰的F環(huán)也是科學(xué)家們極感興趣的一條光環(huán)。這個(gè)環(huán)的奇特之處在于它時(shí)常改變外形使自己變成一種扭結(jié)的形態(tài)。科學(xué)家推測(cè)：F環(huán)中可能存在著尚未發(fā)現(xiàn)的小衛(wèi)星，當(dāng)它們穿過(guò)這個(gè)環(huán)時(shí)，會(huì)對(duì)環(huán)的外形產(chǎn)生影響。2008年6月，科學(xué)家在《自然》雜志上公布了他們對(duì)這個(gè)環(huán)的最新的研究結(jié)果，他們說(shuō)，F(xiàn)環(huán)中確實(shí)有這樣的小衛(wèi)星，而且，這個(gè)環(huán)還受到土衛(wèi)十六和土衛(wèi)十七的影響，它們分別位于F環(huán)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，其共同的作用會(huì)束縛和擠壓F環(huán)，導(dǎo)致它發(fā)生交錯(cuò)現(xiàn)象。土衛(wèi)十六還沿著一個(gè)橢圓的軌道穿行于F環(huán)，每次穿行都會(huì)在F環(huán)上拖出一道溝，由此產(chǎn)生的引力使F環(huán)彎曲和拉伸，從而扭結(jié)成一個(gè)螺旋的形狀?？茖W(xué)家說(shuō)，對(duì)于F環(huán)的研究意義重大，它有助于我們認(rèn)識(shí)其他氣體巨星的環(huán)的行為，這種復(fù)雜的環(huán)與衛(wèi)星的互動(dòng)關(guān)系會(huì)成為我們認(rèn)識(shí)行星環(huán)的重要依據(jù)。

與F環(huán)相比，土星的A環(huán)和B環(huán)吸引了科學(xué)家們更多的視線。近年來(lái)，科學(xué)家在A環(huán)中頻頻發(fā)現(xiàn)新的塊狀物，它們的直徑多為100米左右，其數(shù)量已達(dá)幾十個(gè)之多。這使科學(xué)家們意識(shí)到，土星周圍這樣的小衛(wèi)星非常多，可能以數(shù)百萬(wàn)計(jì)，而A環(huán)中的土衛(wèi)十八和土衛(wèi)三只是其中的最大者，這表明土星環(huán)中的物質(zhì)形態(tài)除了較大衛(wèi)星和較小的顆粒外，這種“中間大小”的物質(zhì)亦非常重要。這一發(fā)現(xiàn)將有助于人類對(duì)土星環(huán)乃至于整個(gè)太陽(yáng)系形成理論的重新認(rèn)識(shí)。A環(huán)與B環(huán)僅一“縫”之隔，這個(gè)“縫”就是卡西尼縫?？邕^(guò)卡西尼縫就是寬闊的B環(huán)，存在于B環(huán)上的最大謎團(tuán)是它上面的輻射條紋，它們是一些由靜電造成的塵埃云團(tuán)，在20世紀(jì)80年代便被發(fā)現(xiàn)了，然而直到現(xiàn)在，對(duì)它們的解釋依然是眾說(shuō)紛紜的。一種解釋是，它們產(chǎn)生于土星上的雷暴和閃電，另一種解釋則歸咎于隕星的碰撞或太陽(yáng)風(fēng)粒子的沖擊?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些條紋的亮度似乎隨土星季節(jié)的轉(zhuǎn)換而發(fā)生明暗變化，在土星的春秋時(shí)節(jié)最為明顯，今年8月，土星將過(guò)分點(diǎn)，屆時(shí)從事卡西尼任務(wù)的科學(xué)家們將對(duì)B環(huán)進(jìn)行仔細(xì)的觀測(cè)，也許B環(huán)上的輻射條紋之謎會(huì)于不久之后得到更加合理的解釋。

光環(huán)歸來(lái)

此外，人們?cè)谕列黔h(huán)上還有許多新的發(fā)現(xiàn)，例如D環(huán)已變得更暗，且向著土星的方向移動(dòng)了100多千米，土星環(huán)的質(zhì)量實(shí)際上比先前估計(jì)的更大，且表面更加粗糙等，這些發(fā)現(xiàn)很有可能徹底地顛覆以前人們對(duì)土星環(huán)的起源和壽命的認(rèn)識(shí)。自“旅行者”號(hào)訪問(wèn)土星以來(lái)，人們便一直認(rèn)為土星環(huán)很年輕，也許就產(chǎn)生于地球上的恐龍時(shí)代，然而新的研究則表明，土星環(huán)和太陽(yáng)系同樣古老，而且可能還會(huì)存在幾十億年。認(rèn)為土星環(huán)很年輕的理由部分來(lái)源于一種簡(jiǎn)單的常識(shí)，一個(gè)物體，假若它光潔明亮，它就可能是一個(gè)新器物，萬(wàn)物皆同理，土星環(huán)雖存在于無(wú)垠的宇宙中，卻也不應(yīng)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(huán)面為什么沒(méi)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(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為，土星環(huán)并不是總是在那里的，它大約產(chǎn)生于一億年前的一次偶然事件，或許是一顆來(lái)自太陽(yáng)系以外的星球運(yùn)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(gè)環(huán)，或許是一顆彗星撞上了土星的一顆衛(wèi)星，它們的碎片環(huán)繞于土星，形成了土星環(huán)。

然而隨著“卡西尼”號(hào)對(duì)土星環(huán)的觀測(cè)日益細(xì)致，人們發(fā)現(xiàn)了新的事實(shí)。科學(xué)家使用“卡西尼”號(hào)搭載的紫外線圖像光譜儀仔細(xì)研究了土星環(huán)中的顆粒，他們發(fā)現(xiàn)土星環(huán)實(shí)際上是很粗糙的，其中的物質(zhì)大小不一，有些細(xì)于沙粒，有些大于巨石，環(huán)里的團(tuán)塊夾雜著冰和巖石，在環(huán)內(nèi)物質(zhì)的循環(huán)過(guò)程中，它們將來(lái)自宇宙的污染物稀釋和吸收掉了，所以土星環(huán)看起來(lái)并不暗淡?？茖W(xué)家還用來(lái)自“卡西尼”號(hào)的觀測(cè)數(shù)據(jù)用電腦模擬了土星環(huán)內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況，2008年9月，他們宣布說(shuō)，土星環(huán)可能比先前預(yù)料的更大、歷史更久遠(yuǎn)，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(huán)相當(dāng)古老，并且不會(huì)很快消失，這樣的環(huán)在宇宙中也似乎是不容易見(jiàn)到的?，F(xiàn)在人們知道，行星有環(huán)并不是稀有的現(xiàn)象，在太陽(yáng)系里，海王星、天王星、木星都有環(huán)，然而它們的環(huán)都沒(méi)有土星環(huán)這般明亮，宏偉并且如此神奇?；蛟S這樣的環(huán)離我們很遠(yuǎn)，或許這樣的環(huán)本來(lái)就非常稀有。

2009年的土星環(huán)也許并不迷人，然而卻是不易見(jiàn)到的景象。當(dāng)土星環(huán)因側(cè)面朝向地球而顯示出一條直線的時(shí)候，天文學(xué)家們稱之為“環(huán)面穿越”，在土星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的過(guò)程中，“環(huán)面穿越”的景色并非常有。2009年真正出現(xiàn)“環(huán)面穿越”的時(shí)候是9月4日，那時(shí)土星環(huán)的側(cè)面正好對(duì)著我們，不過(guò)那時(shí)土星太靠近太陽(yáng)了，我們根本看不到它。但在2009年的其他時(shí)候，我們可以看到大致的效果。“環(huán)面穿越”的時(shí)間是很短的，此后，美麗的土星環(huán)又將重現(xiàn)了。

責(zé)任編輯龐云