土星可算是太陽系中較為奇特的一顆行星，在望遠(yuǎn)鏡中看來，它的外表猶如一頂草帽，在圓球形的星體周圍有一圈很寬的“帽沿”，這就是土星光環(huán)，又稱土星環(huán)。光環(huán)的存在使得土星成為群星中最美麗的一顆，令觀賞者贊嘆不已。幾百年來，人們一直以為太陽系中唯獨(dú)土星才有光環(huán)。直到本世紀(jì)70年代后期至80年代后期，天王星環(huán)、木星環(huán)和海王星環(huán)的相繼發(fā)現(xiàn)才使這一觀點(diǎn)得以改變。

 美麗的土星環(huán)

土星最讓人著迷的便是美麗的土星環(huán)。

伽利略在1610年用自制望遠(yuǎn)鏡觀察土星時(shí)，發(fā)現(xiàn)土星有兩個(gè)“耳

朵”。他誤認(rèn)為土星可能是由一大二小三個(gè)天體組成，懷疑這兩耳朵是兩顆衛(wèi)星。但他一直不敢將觀察結(jié)果發(fā)表，其原因是“衛(wèi)星”并沒有繞土星公轉(zhuǎn)，似乎永遠(yuǎn)停留不動(dòng)。而更令他驚奇的是那兩顆“衛(wèi)星”兩年后竟然失蹤，三年后又重新出現(xiàn)。

半個(gè)世紀(jì)后，荷蘭天文學(xué)家惠更斯(Christiaan Huygens) 用更大更好的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，才揭開了這個(gè)謎。原來那兩顆“衛(wèi)星”是與土星不相連接、環(huán)繞在土星赤道面上的光環(huán)。這光環(huán)由無數(shù)形狀、大小不等，直徑在7.6厘米～9米之間的冰塊組成，以很快的速度圍繞土星運(yùn)轉(zhuǎn)，在太陽光的照耀下呈現(xiàn)出各種顏色。光環(huán)的直徑達(dá)27萬千米，厚度為10千米左右，自東向西自轉(zhuǎn)。1675年，意大利天文學(xué)家卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)發(fā)現(xiàn)光環(huán)中有一圈空隙，這就是著名的卡西尼環(huán)縫。

土星環(huán)的結(jié)構(gòu)在17～19世紀(jì)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。到20世紀(jì)80年代初，至少3個(gè)探測(cè)器對(duì)土星“走馬觀花”，發(fā)現(xiàn)環(huán)的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。

人們根據(jù)地面觀測(cè)和空間探測(cè)，把土星環(huán)劃分為7層。距土星最近的是D環(huán)，亮度最暗;其次是C環(huán)，透明度最高;B環(huán)最亮;最后是A環(huán)。在A 環(huán)和B環(huán)之間就是著名的卡西尼環(huán)縫，縫寬約5000千米。在A環(huán)之外有E、F、G三個(gè)環(huán)，最外層的是E環(huán)，十分稀薄和寬廣。

“旅行者1號(hào)和2號(hào)”探測(cè)器把土星環(huán)的近距離照片送回后，科學(xué)家們非常吃驚：原來每一層又可細(xì)分成上千條大大小小的小環(huán)，即使被認(rèn)為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環(huán)。在照片中可見到F環(huán)有5條小環(huán)相互纏繞在一起。土星環(huán)的整體形狀類似一張巨大的密紋唱片，從土星的云頂一直延伸到32萬千米遠(yuǎn)的地方。 光環(huán)的顏色遠(yuǎn)看是紅棕色，其實(shí)每層都稍有不同，C環(huán)是藍(lán)色，B環(huán)內(nèi)層為橙色，外層為綠色，A環(huán)為紫色，卡西尼縫是藍(lán)色的。

土星的自轉(zhuǎn)軸和地球一樣，也是傾斜的，土星的軸傾角是26.73°，地球則是23.45°。由于土星的光環(huán)和赤道是在同一平面上，所以它是對(duì)著太陽(也對(duì)著我們)傾斜的。當(dāng)土星運(yùn)行到其軌道的一端時(shí)，我們可由上往下看見光環(huán)近的一面，而遠(yuǎn)的一面仍被遮住。當(dāng)土星在軌道的另一端時(shí)，我們就可由下往上看到光環(huán)近的一面，而遠(yuǎn)的一面依然被遮住。土星從軌道的這一側(cè)轉(zhuǎn)到另一

側(cè)需要14年多一點(diǎn)。

在這段時(shí)間內(nèi)，光環(huán)也逐漸由最下方移向最上方。行至半路時(shí)，光環(huán)恰好移動(dòng)到中間位置，這時(shí)我們觀察到光環(huán)兩面的邊緣連接在一起，狀如“一條線”。隨后;土星繼續(xù)運(yùn)行，沿著另一半軌道繞回原來的起點(diǎn)，這時(shí)光環(huán)又逐漸地由最上方向最下方移動(dòng);移到正中間時(shí)，我們又看見其邊緣連接在一起。因?yàn)橥列黔h(huán)非常薄，所以當(dāng)光環(huán)狀如“一條線”時(shí)就好像消失了一樣。1612年年底伽利略看到的正是這種情景;據(jù)說由于懊惱，他沒有再觀察過土星。

1675年，J.D.卡西尼發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)并不是一個(gè)完整的光環(huán)。在光環(huán)的周圍有一條暗線，把光環(huán)分成內(nèi)外兩部分。外面的一部分比較窄，而且不如里面那一部分亮，看起來像是兩個(gè)環(huán)套在一起。從那以后，土星環(huán)一直被認(rèn)為是由幾個(gè)環(huán)組成的，這條暗線現(xiàn)在叫做卡西尼縫。

1826年，德國血統(tǒng)的俄國天文學(xué)斯特魯維把外面的環(huán)命名為A環(huán)，把里面的環(huán)命名為B環(huán)。1850年，美國天文學(xué)家W.C.邦德宣稱，還有一個(gè)比B環(huán)更靠近土星的暗淡光環(huán)。這個(gè)暗淡光環(huán)就是C環(huán)，C環(huán)與B環(huán)之間并沒有明顯的分界。

在太陽系的任何地方都沒有像土星環(huán)那樣的東西，或者說，用任何儀器我們也看不到任何地方有像土星環(huán)那樣的光環(huán)。誠然，我們現(xiàn)在知道，圍繞著木星有一個(gè)稀薄的物質(zhì)光環(huán)，且任何像木星和土星這樣的氣體巨行星都可能有一個(gè)由靠近它們的巖屑構(gòu)成的光環(huán)。然而，如果以木星的光環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)，這些光環(huán)都是可憐而微不足道的，而土星的環(huán)系卻是壯麗動(dòng)人的。從地球上看，從土星環(huán)系的一端到另一端，延伸269,700公里(167,600英里)，相當(dāng)于地球?qū)挾鹊?1倍，實(shí)際上幾乎是木星寬度的2倍。

土星環(huán)到底是什么呢?J.D.卡西尼認(rèn)為它們像鐵圈一樣是平滑的實(shí)心環(huán)?？墒?，1785年拉普拉斯(后來他提出了星云假說)指出，因?yàn)榄h(huán)的各部分到土星中心的距離不同，所以受土星引力場(chǎng)吸引的程度也會(huì)不同。這種引力吸引的差異(即我前面提過的潮汐效應(yīng))會(huì)將環(huán)拉開。拉普拉斯認(rèn)為，光環(huán)是由一系列的薄環(huán)排在一起組成的，它們排列得如此緊密，以致從地球的距離看去就如同實(shí)心的一樣。

可是，1855年，麥克斯韋(后來他預(yù)言了電磁輻射寬頻帶的存在)提出，即使這種說法也未盡圓滿。光環(huán)受潮汐效應(yīng)而不碎裂的惟一原因，是因?yàn)楣猸h(huán)是由無數(shù)比較小的隕星粒子組成的，這些粒子在土星周圍的分布方式，使得從地球的距離看去給人以實(shí)心環(huán)的印象。麥克斯韋的這一假說是正確的，現(xiàn)在已無人提出疑義。

法國天文學(xué)家洛希用另一種方法研究潮汐效應(yīng)，他證明，任何堅(jiān)固的天體，在接近另一個(gè)比它大得多的天體的時(shí)候，都會(huì)受到強(qiáng)大的潮汐力作用而最終被扯成碎片。這個(gè)較小的大體會(huì)被扯碎的距離稱為洛希極限，通常是大天體赤道半徑的2.44倍。這樣，土星的洛希極限就是2.44乘以它的赤道半徑60,000公里，即146,400公里，A環(huán)的最外邊緣至土星中心的距離是136,500公里(84,800英里)，因此整個(gè)環(huán)系都處在洛希極限以內(nèi)。(木星環(huán)也同樣處在洛希極限以內(nèi)。)

很明顯，土星環(huán)是一些永遠(yuǎn)也不能聚結(jié)成一顆衛(wèi)星的巖屑(超過洛希極限的巖屑會(huì)聚結(jié)成衛(wèi)星——而且顯然確實(shí)如此)，或者是一顆衛(wèi)星因某種原因過分靠近土星而被扯碎后留下的巖屑。無論是哪一種情況，它們都是余留的一些小天體。(被作用的天體越小，潮汐效應(yīng)也就越小，碎片小到某個(gè)程度之后，就不再繼續(xù)碎裂了，除非兩個(gè)小天體相互間偶爾碰撞。)據(jù)估計(jì)，如果將土星環(huán)所有的物質(zhì)聚合成一個(gè)天體，結(jié)果將會(huì)是一個(gè)比我們的月亮稍大的圓球。

土星環(huán)的發(fā)現(xiàn)

自從意大利著名天文學(xué)家伽里略在1609年首次用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)星空以來，新的發(fā)現(xiàn)經(jīng)他之手接踵而至。1610年7月，他把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了土星。在這架放大倍數(shù)只有30倍而又不完善的望遠(yuǎn)鏡中，伽里略看到土星兩旁有某種奇怪的附屬物。實(shí)際上他所觀測(cè)到的便是土星兩側(cè)的光環(huán)部分。但是，伽里略并沒有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。鑒于在這之前他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了木星的四顆大衛(wèi)星，于是便相信土星兩側(cè)也有兩個(gè)衛(wèi)星之類的小天體。然而，由于情況不如木星衛(wèi)星那樣明白無疑，伽里略沒有直截了當(dāng)?shù)匦歼@一發(fā)現(xiàn)。

任何一位科學(xué)家在感覺到將要作出一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)之時(shí)，往往會(huì)為兩種感情所支配：一方面怕別人走在自己的前面而想盡快地發(fā)表它，另一方面又擔(dān)心會(huì)犯大錯(cuò)誤而不想輕率地過早加以發(fā)表。在伽里略時(shí)代學(xué)者們?yōu)榇送捎靡环N稱為"字母顛倒法"的密碼記錄方式來簡要地記載自己所作出的發(fā)現(xiàn)，這種記錄除了發(fā)現(xiàn)者本人外幾乎誰也無法加以破譯。當(dāng)發(fā)現(xiàn)者過一段時(shí)間后確證了這項(xiàng)發(fā)明之時(shí)，便把自己早已寫好的那份"天書"譯出來，從而保留了對(duì)該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)。

伽里略對(duì)他的土星觀測(cè)結(jié)果便采用了這種方法。他當(dāng)時(shí)所做的記錄是由39個(gè)拉丁字母混亂排列的一長排符號(hào)串，其真實(shí)含義是"觀測(cè)到一顆最高的三重行星"。這里"最高的"即指土星，因?yàn)橥列鞘钱?dāng)時(shí)所知離太陽最遠(yuǎn)的行星。1659年，荷蘭科學(xué)家惠更斯證實(shí)伽里略觀測(cè)到的是一個(gè)離開土星本體的光環(huán)。但他開始時(shí)也象伽里略一樣采用了字母顛倒的密碼記錄法，不過形式稍有不同，用了總數(shù)為62個(gè)拉丁字母的若干符號(hào)串。三年后當(dāng)他確信自己結(jié)論正確時(shí)才宣布了這組符號(hào)串的意義是"土星周圍有一個(gè)又薄又平的光環(huán)，它的任何部分與土星不相接觸，光環(huán)平面與黃道面斜交"。

惠更斯以后，人們經(jīng)歷了漫長的過程才對(duì)土星環(huán)的本質(zhì)有了正確的認(rèn)識(shí)。在最初的兩百年內(nèi)，土星環(huán)一直被認(rèn)為是一個(gè)或若干個(gè)扁平的固體物質(zhì)盤。1856年英國物理學(xué)家麥克斯韋首先從理論上證明這種環(huán)必須是由圍繞土星旋轉(zhuǎn)的一大群小衛(wèi)星組成的物質(zhì)系統(tǒng)，而不可能是整塊固體物質(zhì)盤。40年后，美國天文學(xué)家基勒通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)不同部分的旋轉(zhuǎn)速度隨到土星中心距離的增大而減小，并且符合開普勒運(yùn)動(dòng)定律。如果是剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，則轉(zhuǎn)速因隨距離的增大而增大。這樣就無可辯駁地證實(shí)了環(huán)是無數(shù)個(gè)各自沿獨(dú)立軌道繞土星旋轉(zhuǎn)的大小不等的物質(zhì)塊，從而最終闡明了土星環(huán)的本質(zhì)。事實(shí)上當(dāng)遠(yuǎn)方恒星在環(huán)后經(jīng)過時(shí)星光并沒有多大的減弱，這也說明它不是一整塊東西，而是一些稀疏分布的分離物質(zhì)塊?，F(xiàn)已知道組成環(huán)的小"衛(wèi)星"大都是一些直徑為4~30厘米的冰塊，總質(zhì)量約為土星質(zhì)量的百萬分之一。環(huán)極冷，據(jù)探測(cè)溫度低達(dá)-200℃左右。

目前，根據(jù)地面和空間觀測(cè)結(jié)果得知，土星環(huán)系的主體含有A、B、C、D、E、F和G七個(gè)環(huán)以及環(huán)與環(huán)之間稱為環(huán)縫的一些暗區(qū)。環(huán)編號(hào)的次序是根據(jù)發(fā)現(xiàn)時(shí)的先后，而不是按它們離土星本體的遠(yuǎn)近來確定的。環(huán)縫則通常以發(fā)現(xiàn)者的名字來命名，它們是一些質(zhì)點(diǎn)密度相對(duì)很小的區(qū)域。最里面的是D環(huán)，內(nèi)側(cè)幾乎觸及土星表面，寬約為12000公里，與C環(huán)內(nèi)緣隔開一個(gè)1200公里寬的蓋林縫。C環(huán)很暗，寬約19000公里。C環(huán)外是既寬又亮的B環(huán)，它與C環(huán)相隔一條寬1800公里的法蘭西縫，寬度約為25000公里，可以并排放上兩個(gè)地球。再往外就是A環(huán)，亮度僅次于B環(huán)，寬約15500公里。A、B兩環(huán)間是寬度為5000公里的卡西尼環(huán)縫，由著名天文學(xué)家卡西尼于1675年發(fā)現(xiàn)?？ㄎ髂峥p是永久性的環(huán)縫，另一條永久性環(huán)縫為A環(huán)中的恩刻環(huán)縫，寬度只有876公里。其他環(huán)縫既不完整又具有暫時(shí)性。A環(huán)向外依次為F、G和E環(huán)。其中F環(huán)很窄，寬度僅為30公里，它與A環(huán)間寬約3600公里的空缺區(qū)取名為"先鋒縫"。F環(huán)和G環(huán)都是空間飛船發(fā)現(xiàn)的。E環(huán)的情況比較復(fù)雜，物質(zhì)分布呈現(xiàn)某種結(jié)構(gòu)，寬度超過8萬公里，一直延綿到離土星表面20萬公里以遠(yuǎn)的空間中。

土星環(huán)系的總寬度超過20萬公里，而最大厚度卻不超過150米，真可謂"其薄如紙"!無怪乎當(dāng)它以側(cè)面對(duì)我們時(shí)會(huì)消失殆盡，這一點(diǎn)也曾使伽里略對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生懷疑呢!關(guān)于環(huán)的起源至今未有定論，一種最流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)一顆衛(wèi)星離開土星太近時(shí)會(huì)為土星起潮力所瓦解，其結(jié)果便形成今天的光環(huán)。

土星光環(huán)的成因

巨大的光環(huán)使土星成為太陽系里一顆非常美麗的行星。土星的光環(huán)其實(shí)可分成幾個(gè)不同的部分，最明亮、寬闊的是 A 環(huán)和B 環(huán)，較暗的是 C 環(huán)。光環(huán)的各部分之間有明顯的裂縫，最大裂縫的是A 環(huán)和 B 環(huán)間的Cassini 裂縫，它是由 Giovanni Cassini 在 1657 年發(fā)現(xiàn)的。

A 環(huán)內(nèi)的 Encke 縫則是由 JohannEncke1837 年發(fā)現(xiàn)的。通過飛船的探測(cè)，人們還發(fā)現(xiàn)較寬的光環(huán)其實(shí)是由許多狹窄的小環(huán)組成的。

光環(huán)的形成原因還不十分清楚，據(jù)推測(cè)可能是由彗星、小行星與較大的土衛(wèi)相撞后產(chǎn)生的碎片組成的。

光環(huán)可能含有大量的水份，構(gòu)成它們的是直徑從幾厘米到幾米的冰塊和雪球。某些光環(huán)，如 F 環(huán)的結(jié)構(gòu)在鄰近的衛(wèi)星引 力拉扯下結(jié)構(gòu)發(fā)生了細(xì)微的變化?？茖W(xué)家在“旅行者”號(hào)飛船發(fā)回的一張圖片中發(fā)現(xiàn)，土星寬闊的 B 環(huán)上帶有放射狀的陰影，但在“旅行者”號(hào)此后拍攝的其他圖片中卻沒有。

據(jù)推測(cè)，這一現(xiàn)象可能因?yàn)楣猸h(huán)在某些時(shí)候帶有靜電，漂浮在宇宙中的塵埃被吸附而造成的。

土星光環(huán)的成因的新探索

據(jù)國外媒體報(bào)道，數(shù)百年來，全世界的天文學(xué)家們一直在嘗試著研究和查明土星光環(huán)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，這些光環(huán)的成因則更顯得神秘莫測(cè)。不過，“卡西尼”號(hào)探測(cè)器傳回的最新觀測(cè)數(shù)據(jù)最終揭開了土星光環(huán)的“身世”——它們?cè)跀?shù)億年前均曾是土星的衛(wèi)星，最終發(fā)生分解并演化為現(xiàn)在的帶狀結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，那些曾經(jīng)的衛(wèi)星已演化為體積相對(duì)平均的小石塊、灰塵和氣體。正如天文學(xué)家們所指出的，這一演化過程至少可以在土星的一條光環(huán)——G環(huán)上得到驗(yàn)證。

科學(xué)家們?cè)谘芯窟^程中發(fā)現(xiàn)，位于土星光環(huán)群外側(cè)的G環(huán)目前還受到了土衛(wèi)一引力的影響。

美國宇航局的專家們指出，土星G環(huán)由于距離其他環(huán)較遠(yuǎn)，因此直到1979年才被飛經(jīng)土星的“先驅(qū)”號(hào)探測(cè)器偶然發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)在科學(xué)家中間立刻產(chǎn)生了一個(gè)疑問：為什么這條光環(huán)距離土衛(wèi)一如此之近，卻并未分解為塵埃狀的云團(tuán)(土衛(wèi)一的直徑為400公里，距離G環(huán)約15000公里)。

借助“卡西尼”號(hào)獲取的最新數(shù)據(jù)，科學(xué)家們現(xiàn)在終于可以為這一謎題給出答案。這是由于，在G環(huán)的內(nèi)側(cè)存在著一個(gè)明亮的弧狀結(jié)構(gòu)，NASA的專家們認(rèn)為，該弧線是由一些直徑為數(shù)十米的大塊巖石組成的。這些相對(duì)較大的巖石在微型隕石的不斷轟擊下逐步分解并不斷演化為光環(huán)的一部分。

不過，如果G環(huán)中的所有“大型”天體能夠融合為一個(gè)整體，那將會(huì)形成一個(gè)新的衛(wèi)星。NASA認(rèn)為，這顆衛(wèi)星確實(shí)曾經(jīng)存在過。

NASA埃姆斯研究中心的杰夫·庫茲表示：“在土星G環(huán)中確實(shí)曾存在過一顆衛(wèi)星。但不知何時(shí)，它發(fā)生了解體，并演化為一條由冰塊和碎石構(gòu)成的光環(huán)?，F(xiàn)在，我們可以清楚地看到這些前衛(wèi)星的殘骸是如何環(huán)繞土星運(yùn)動(dòng)的。”

現(xiàn)在，G環(huán)中的那些大型天體正受到來自土衛(wèi)一的弱引力作用。“卡西尼”號(hào)已清楚地記錄下了這種引力的存在。

不過，科學(xué)家們也指出，在G環(huán)和土衛(wèi)一之間存在著相互間的引力作用，并由此產(chǎn)生了所謂的“共振效應(yīng)”。據(jù)推算，G環(huán)中的這些較大天體將會(huì)不斷發(fā)生分解并平均分散到整個(gè)軌道上。由此同時(shí)，由于這些天體的消失，土衛(wèi)一受到的引力將會(huì)減小，并有可能逐漸遠(yuǎn)離土星軌道。

從秋到冬的土星光環(huán)

6月7日，美國國家航空航天局在華盛頓展示了一組哈勃太空望遠(yuǎn)鏡從1996年到2000年間拍攝的土星照片。該組照片(從左下到右上)展現(xiàn)了土星北半球從秋分到冬至這段時(shí)間內(nèi)光環(huán)的各個(gè)形狀。土星赤道與其運(yùn)行軌道成27度斜角，與地球的23度角十分

相似。土星的光環(huán)僅10米厚，之所以略帶紅色，是因?yàn)樗捎袡C(jī)物和冰構(gòu)成。目前，天文學(xué)家們正在研究這組照片，分析土星光環(huán)色彩和亮度的具體細(xì)節(jié)問題。

土星的光環(huán)地球可不可以擁有

土星外圍的光環(huán)是一堆巖石，因?yàn)榈厍蚺诺?位而太陽系的隕石堆都在火星與木星距離的空間或在海王星以外，它們都受太陽影響圍繞。因?yàn)橥列桥c木星都有非常強(qiáng)大的引力能吸引它們，而地球不僅遠(yuǎn)離它們又沒有土星與木星這么大的質(zhì)量，所以地球是不可能擁有的。