土星的光環(huán)系統(tǒng)（三）
——內(nèi)層區(qū)域的環(huán)帶和環(huán)縫（續(xù)）

□□ 劉 炎劉 炎

土星的光環(huán)系統(tǒng)（三）
——內(nèi)層區(qū)域的環(huán)帶和環(huán)縫（續(xù)）

□□ 劉 炎劉 炎

圖1 這是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡于2004年3月22日拍攝的土星照片，看起來簡直像是一件舉世無雙的完美藝術(shù)品！

在天文愛好者的望遠(yuǎn)鏡里，土星和那大沿草帽似的光環(huán)恐怕是太陽系天體中最奇麗而又最令人驚嘆的一種景象了，而且土星的光環(huán)又是行星光環(huán)中最壯觀而又最復(fù)雜的一個(gè)光環(huán)系統(tǒng)。在土星的光環(huán)系統(tǒng)中，除了人們已經(jīng)熟知的A環(huán)、B環(huán)、C環(huán)和卡西尼縫、恩克環(huán)縫等著名帶、縫之外，近幾十年來的空間探測又發(fā)現(xiàn)并命名了許多新的環(huán)帶、環(huán)縫和環(huán)弧等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。本文擬對現(xiàn)今我們已經(jīng)了解的土星的光環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本情況及其名稱的來歷和中文譯名等作一些粗略的介紹和探討。

土星光環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)層區(qū)域包括從D環(huán)到F環(huán)之間的主要環(huán)帶和環(huán)縫。圖2是土星光環(huán)內(nèi)層區(qū)域的徑向條形截面圖，可簡稱為“土星環(huán)條形圖”，由卡西尼號飛船拍攝。

圖2 土星光環(huán)面內(nèi)層區(qū)域（從D環(huán)到F環(huán)）的徑向條形截面圖：左側(cè)是土星表面方向。圖中標(biāo)出了光環(huán)系統(tǒng)內(nèi)層的主要環(huán)帶和環(huán)縫的名稱及其位置（離土星中心的距離，單位：千米）。此圖像由卡西尼號飛船于2007年5月9日拍攝。

圖3 土星光環(huán)帶，從D環(huán)到B環(huán)，即圖2左側(cè)部分。

圖4 土星光環(huán)帶，從B環(huán)到F環(huán)，即圖2右側(cè)部分。

惠更斯環(huán)縫（Huygens Gap）

惠更斯環(huán)縫（Huygens Gap）在卡西尼縫的內(nèi)側(cè)邊緣?？死锼沟侔?惠更斯（Christiaan Huygens，1629～1695），荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，土星光環(huán)和土衛(wèi)六的發(fā)現(xiàn)者。

惠更斯研究了光學(xué)透鏡的相關(guān)物理原理，發(fā)明了惠更斯目鏡。他還自己設(shè)計(jì)制作了一架新的折射式望遠(yuǎn)鏡，放大倍數(shù)達(dá)50，這比伽利略的望遠(yuǎn)鏡要強(qiáng)大得多。他用這架望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，首先發(fā)現(xiàn)了土星的光環(huán)。但他一開始尚無把握，于是先發(fā)布了一組隱語：

“Aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttuu uuu”

在那個(gè)年代，人們對于一些已經(jīng)觀測到的、但還有待進(jìn)一步確認(rèn)的重大發(fā)現(xiàn)，往往會(huì)用一種“隱語”的方式（把一個(gè)完整句子的字母打亂后重新排列）先行發(fā)布，以保障自己的優(yōu)先權(quán)。經(jīng)過3年的辛勤觀測，到1655年，惠更斯才最終公布了他的謎底，正式宣布發(fā)現(xiàn)了土星的光環(huán)：

“Annulo cingitur tenui, plano, nusquam cohaerente, adeclipticam inclinato.”

這是惠更斯對土星光環(huán)的描述：“土星被一個(gè)薄薄的、平坦的圓環(huán)圍繞著，這個(gè)圓環(huán)相對于黃道斜交，但與土星沒有任何接觸?！?/p>

他還發(fā)現(xiàn)了獵戶座大星云等幾個(gè)星云，并且從星云中分解出了不同的恒星。

圖5 首先發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)和土衛(wèi)六的惠更斯

圖6 藝術(shù)效果圖：成功著陸到土衛(wèi)六表面的惠更斯號探測器

為了對土衛(wèi)六的大氣層進(jìn)行深層探測，卡西尼號飛船在靠近土衛(wèi)六時(shí)又釋放出了一個(gè)子探測器，這個(gè)探測器被命名為“惠更斯號”?；莞固栍?005年1月1 4日成功著陸在土衛(wèi)六的固體表面，是人類登陸土衛(wèi)六的第一個(gè)探測器。它在降落過程中還與卡西尼號進(jìn)行了近3個(gè)小時(shí)的通訊傳輸溝通。

惠更斯小環(huán) (Huygens Ringlet)

它是在惠更斯環(huán)縫之內(nèi)的一個(gè)密集的偏心小環(huán)。這個(gè)小環(huán)的幾何寬度和光學(xué)深度隨著方位角有不規(guī)則的變化，這可能是與土衛(wèi)一的軌道有著2:1的共振關(guān)系而引起的，B環(huán)偏心的外邊緣也可能對它有著相當(dāng)?shù)挠绊?。在惠更斯環(huán)縫的外側(cè)還有許多的環(huán)縫。

赫歇爾環(huán)縫（Herschel Gap）

弗里德里希?威廉?赫歇爾爵士（Sir Frederick William Herschel，1738~1822），出生于德國漢諾威，英國天文學(xué)家及音樂家。一生制作過400多臺望遠(yuǎn)鏡，做出過許多重大的天文發(fā)現(xiàn)，被譽(yù)為“恒星天文學(xué)之父”。

1 781年發(fā)現(xiàn)了太陽系的第七顆大行星——天王星，1 787年發(fā)現(xiàn)了天王星的兩顆衛(wèi)星，天衛(wèi)三（Titania）和天衛(wèi)四（Oberon）。1789年又發(fā)現(xiàn)了土星的兩顆衛(wèi)星，土衛(wèi)一（Mimas）和土衛(wèi)二（Enceladus）。

羅素環(huán)縫（Russell Gap）

亨利?諾利斯?羅素（H enry Norris Russell，1877~1957），美國天文學(xué)家，恒星的光譜-光度圖的發(fā)現(xiàn)者之一。1913年他獨(dú)立地提出了關(guān)于恒星的亮度、顏色和光譜之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，該關(guān)系與丹麥天文學(xué)家埃希納?赫茨普龍的1 91 1年研究結(jié)果一樣。后來人們就把恒星的光譜-光度圖稱為赫羅圖。

杰弗里斯環(huán)縫（Jeffreys Gap）

哈洛德?杰弗里斯爵士（Sir Harold Jeffreys，1891 ~1 989)，英國數(shù)學(xué)家、統(tǒng)計(jì)學(xué)家、地球物理學(xué)家和天文學(xué)家。他于1 939年首次出版的《概率論》一書，對于復(fù)興數(shù)學(xué)上的貝葉斯概率（Bayesian probability）理論有著重大貢獻(xiàn)。杰弗里斯的杰出貢獻(xiàn)之一是關(guān)于概率的“貝葉斯近似”（也被稱為“杰弗里斯優(yōu)先”），此理論在天文上的應(yīng)用是關(guān)于地球具有液態(tài)行星核心的觀念。杰弗里斯的工作在1 937年時(shí)曾獲得皇家天文學(xué)會(huì)的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

柯伊伯環(huán)縫（Kuiper Gap）

杰拉德?彼得?柯伊伯（Gerard Peter Kuiper，1905~1973），荷蘭裔美籍天文學(xué)家，柯伊伯帶假說的提出人之一。他于1948年發(fā)現(xiàn)了天衛(wèi)五（Miranda），1949年發(fā)現(xiàn)了海衛(wèi)二（Nereid）。

拉普拉斯環(huán)縫(Laplace Gap)

皮埃爾-西蒙?拉普拉斯侯爵（Pierre-Simon marquisde Laplace，1749~1827），法國著名的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，對天體力學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論有著開創(chuàng)性的發(fā)展。拉普拉斯總結(jié)和推廣前人的工作，在1 799~1 825年期間寫出了著名的五卷本杰作《天體力學(xué)》，集各家理論之大成，是經(jīng)典天體力學(xué)的代表著作。書中第一次提出了“天體力學(xué)”的學(xué)科名稱。

《宇宙系統(tǒng)論》是拉普拉斯另一部名垂千古的杰作。在這部書中，他獨(dú)立于康德，提出了第一個(gè)科學(xué)的太陽系的形成與演化理論——星云說?？档碌男窃普f是從哲學(xué)角度提出的，而拉普拉斯則從數(shù)學(xué)、力學(xué)的角度充實(shí)了星云說，因此，人們常常把他們兩人的星云說合稱為“康德-拉普拉斯星云說”。

貝塞爾環(huán)縫（Bessel Gap）

弗里德里希?威廉?貝塞爾（Friedrich Wilhelm Bessel，1784~1846），德國天文學(xué)家及數(shù)學(xué)家。他精確測定了歲差常數(shù)，還是利用視差法測定恒星距離的第一位天文學(xué)家。1810年，他被普魯士國王腓特烈?威廉三世任命為柯尼斯堡天文臺臺長，直到去世。1829年和1841年，他曾兩度獲得皇家天文學(xué)會(huì)的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

巴納德環(huán)縫（Barnard Gap）

愛德華?愛默生?巴納德（Edward Emerson Barnard，1857~1923)，美國天文學(xué)家。1892年，他用目視觀測發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)五（Amalthea）。這是繼伽利略1 609年發(fā)現(xiàn)四顆木衛(wèi)之后的首次也是最后一次以目視觀測的方式發(fā)現(xiàn)木星的衛(wèi)星。1 916年，巴納德發(fā)現(xiàn)了一顆相對于太陽自行最大的恒星。該恒星后來被稱為巴納德星，它也是除南門二（三合星，包括比鄰星）以外離太陽最近的恒星，距離地球僅約6光年遠(yuǎn)。1897年，曾獲英國皇家天文學(xué)會(huì)的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

A環(huán)（A Ring）

主環(huán)最外面的一個(gè)亮環(huán)，A環(huán)和B環(huán)之間的分隔縫隙就是卡西尼縫。A環(huán)的外側(cè)有一個(gè)明銳的邊界，那里正好接近一顆小衛(wèi)星土衛(wèi)十五（Atlas）的軌道。長期以來，土衛(wèi)十五被認(rèn)為是維系A(chǔ)環(huán)外側(cè)明銳邊界的一個(gè)所謂“牧羊犬衛(wèi)星”。然而，現(xiàn)今一般認(rèn)為，A環(huán)外緣主要是受到兩顆更遠(yuǎn)更大的衛(wèi)星：土衛(wèi)十（Janus）和土衛(wèi)十一(Epimetheus)的7:6的軌道共振的制約。

還有一些其他衛(wèi)星的軌道共振效應(yīng)在A環(huán)內(nèi)更激發(fā)出許多螺旋密度波，由此可以解釋A環(huán)中的大多數(shù)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。A環(huán)之內(nèi)有兩個(gè)重要的環(huán)縫：恩克環(huán)縫和基勒環(huán)縫。

恩克環(huán)縫（Encke Gap）

恩克環(huán)縫（Encke Gap）是A環(huán)內(nèi)一個(gè)寬達(dá)325千米的環(huán)縫，是由環(huán)縫中的一顆小衛(wèi)星土衛(wèi)十八（Pan）造成的。

圖7 A環(huán)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)

恩克環(huán)縫的中央還有一個(gè)小環(huán)，土衛(wèi)十八與這一小環(huán)共軌。土衛(wèi)十八與恩克環(huán)縫及中央小環(huán)的關(guān)系十分奇妙，它的引力維系著恩克環(huán)縫的形狀，并且清除侵入環(huán)中的粒子從而使環(huán)縫的邊緣保持著明銳的界限：靠近衛(wèi)星的物質(zhì)不是被吸引進(jìn)入環(huán)內(nèi)，就是被驅(qū)離這個(gè)系統(tǒng)，或是被吸積進(jìn)入衛(wèi)星自身之內(nèi)。其作用與看管羊群的“牧羊犬”極為相似，因而被稱為“牧羊犬衛(wèi)星”。

正是由于這一原因，這顆衛(wèi)星于1 991年被命名為“Pan（潘）”。在希臘神話里，Pan是眾神信使赫耳墨斯（Hermes）的兒子，是掌管樹林、田地和羊群的牧神，有著人的軀干和頭，山羊的腿、角和耳朵。他還喜歡吹能使人催眠的排笛。

恩克環(huán)縫完全位于A環(huán)之內(nèi)，因此，英文名稱應(yīng)為“Encke Gap”。但在以往人們有時(shí)也會(huì)含糊其辭地稱其為“Encke Division（恩克縫）”，這是由于當(dāng)時(shí)對Gap和Division兩個(gè)詞在含義上未加明確區(qū)分。2008年國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)對此作了澄清，規(guī)定只有對于A環(huán)和B環(huán)以及A環(huán)和F環(huán)等大環(huán)帶之間的寬大縫隙才能稱為“縫——Division”，而對于大環(huán)內(nèi)部的小環(huán)之間的空隙就只能稱為“環(huán)縫、環(huán)隙——Gap”。因此現(xiàn)今對恩克環(huán)縫也就只能稱為“Encke Gap”了。

約翰?弗朗茨?恩克（Johan n F ran z E n cke，1 791~1 865），德國天文學(xué)家，數(shù)學(xué)家高斯的學(xué)生。曾經(jīng)計(jì)算過許多彗星和小行星的周期，其中有一顆彗星后來被命名為恩克彗星，也是已知公轉(zhuǎn)周期最短的彗星之一。他還測量過日地距離，對土星也做過許多觀測研究。恩克對于土星A環(huán)中亮度的變化曾做過廣泛的觀測。

圖8 恩克環(huán)縫的特寫：中央的細(xì)環(huán)與“牧羊犬衛(wèi)星”土衛(wèi)十八（Pan）的軌道重合。

圖9 A環(huán)內(nèi)的基勒環(huán)縫。在環(huán)縫邊緣可以看到由土衛(wèi)三十五行經(jīng)時(shí)所引起的波紋。

基勒環(huán)縫（Keeler Gap）

基勒環(huán)縫（Keeler Gap）是旅行者號飛船1 980年在A環(huán)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一個(gè)環(huán)縫，距離外緣約250千米處。2005年5月1日，又在環(huán)縫中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小衛(wèi)星土衛(wèi)三十五（Daphnis）。土衛(wèi)三十五的作用與恩克環(huán)縫中的土衛(wèi)十八類似，也是一顆“牧羊犬衛(wèi)星”，維系著基勒環(huán)縫的明銳邊界。

詹姆斯?埃德瓦特?基勒（Jam es Edward Keeler，1857～1900），美國天文學(xué)家。1888年7月他用里克天文臺的36英寸折射望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)的一個(gè)新的環(huán)縫，并將它命名為“恩克環(huán)縫”。

1 895年，基勒對于土星光環(huán)的光譜進(jìn)行了觀測研究，發(fā)現(xiàn)光環(huán)上不同部位譜線的多普勒位移不一樣，這表明圍繞著土星旋轉(zhuǎn)的光環(huán)上有著較差自轉(zhuǎn)。由此第一次為麥克斯韋關(guān)于“光環(huán)物質(zhì)是由為數(shù)眾多的細(xì)小顆粒組成，每個(gè)顆粒都獨(dú)立地環(huán)繞著土星運(yùn)轉(zhuǎn)”的理論預(yù)測提供了觀測證據(jù)。

由于基勒對土星光環(huán)觀測研究的重大貢獻(xiàn)，科學(xué)家們把1980年由旅行者1號飛船在土星A環(huán)中發(fā)現(xiàn)的第二大環(huán)縫命名為“基勒環(huán)縫”。

洛希縫（Roche Division）

洛希縫（Roche Division）是分隔開A環(huán)和F環(huán)的暗帶區(qū)域。寬度3000千米左右。洛?？p中有兩顆衛(wèi)星：土衛(wèi)十五（Atlas）和土衛(wèi)十六(Prom etheus)，它們維系著洛希縫的空隙。土衛(wèi)十五在洛?？p的內(nèi)邊緣，緊鄰于A環(huán)之外，長期以來一直被認(rèn)為是A環(huán)外側(cè)的一顆牧羊犬衛(wèi)星。土衛(wèi)十六在洛希縫的外邊緣，緊鄰于F環(huán)之內(nèi)，是F環(huán)內(nèi)側(cè)的一顆牧羊犬衛(wèi)星。

愛德華?阿爾倍特?洛希（édouard Albert Roche，1820~1883），法國天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家。他最卓著的成就是在天體力學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，并且有幾個(gè)重要的基本概念：洛希球、洛希極限和洛希瓣就是以他的名字命名的。

圖10 洛希縫（斜向通過圖的中心）緊鄰于A環(huán)之外，A環(huán)中的恩克環(huán)縫和基勒環(huán)縫清晰可見。洛希縫外側(cè)的細(xì)環(huán)則是F環(huán)。

洛希關(guān)于土星行星環(huán)形成的理論也許是他所有理論中最著名的一個(gè)，他認(rèn)為曾經(jīng)有一顆極其巨大的衛(wèi)星因過度接近土星，而后被土星推開，最后又被引力撕碎，碎片就形成了如今的光環(huán)。

他提出了一種計(jì)算方法，可以算出由于引力所產(chǎn)生的潮汐力作用的大小，而且當(dāng)一個(gè)物體向另一個(gè)物體靠近到何等距離時(shí)就會(huì)被撕碎，這個(gè)距離后來就成為著名的洛希極限。

請注意，洛?？p是一個(gè)“縫——Division”，是分開兩個(gè)環(huán)帶之間的縫隙，而不是處于某一環(huán)帶中的“環(huán)隙——Gap”。而且此處的“洛?？p”僅是指土星光環(huán)中在這個(gè)位置上的一個(gè)大環(huán)縫，而與土星的“洛希極限（Roche limit）”無關(guān)。

F環(huán)（F Ring）

F環(huán)是土星環(huán)內(nèi)層中最外面的孤立環(huán)帶，位于A環(huán)外側(cè)3000千米之外，十分狹窄，寬度只有30～500千米，1979年被“先驅(qū)者11號”探測器的影像小組發(fā)現(xiàn)。F環(huán)可能是太陽系中最活躍的環(huán)帶系統(tǒng)，它的外形幾乎每小時(shí)都在改變著。

圖11 洛?？p和F環(huán)的位置

圖1 2 F環(huán)和分別在環(huán)帶兩側(cè)的兩顆牧羊犬衛(wèi)星：右側(cè)是土衛(wèi)十六（P rom etheus），左側(cè)則是土衛(wèi)十七（Pandora）。

F環(huán)的內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣各有一顆衛(wèi)星：土衛(wèi)十六（Prometheus）和土衛(wèi)十七（Pandora），它們分別維系著F環(huán)的內(nèi)、外側(cè)的邊界，因而是F環(huán)的兩顆牧羊犬衛(wèi)星。

在希臘神話中，土衛(wèi)十六的名字普羅米修斯（Prometheus）是提坦神厄庇墨透斯的兄弟，他為人類盜取了奧林匹斯山上的神火，從而觸怒了主神宙斯并受到殘酷的懲罰。而土衛(wèi)十七的名字潘多拉（Pandora）則是厄庇墨透斯的妻子，是火神赫淮斯托斯（Hephaestus）用黏土做成的地上的第一個(gè)女人，也是主神宙斯送給人類的第一個(gè)女人（因普羅米修斯的盜火之舉而對人類進(jìn)行的懲罰），而且還就是那位擁有惡名昭著的“潘多拉之盒（邪惡之盒）”的主人。

（責(zé)任編輯 張長喜）