張唯誠

2009年的大部分時間，當你拿起望遠鏡觀測土星時，也許你會有些失望，因為你會發(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，它變成了一條細細的直線。1610年，當伽利略將他自制的望遠鏡對準土星時，他看到的就是土星環(huán)將要變成一條直線時的情景。在他的望遠鏡里，光環(huán)的兩端仿佛像兩只“耳朵”，當時的伽利略并沒有意識到那是土星的光環(huán)，他認為土星是由大小不一的三顆星組成的。直到半個世紀后，這個疑團才由惠更斯解開，他用更先進的望遠鏡觀測了土星，并宣布土星具有一個光環(huán)。

消失的光環(huán)

土星環(huán)給人最為強烈的印象是：異常明亮且薄如紙。2007年初，“卡西尼”號土星探測器運行到一個可以俯視整個土星環(huán)的軌道平面上，它這時發(fā)回的照片展示了土星環(huán)整個環(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土星環(huán)，科學家們因此十分激動。

根據(jù)科學家們先前的估計，如果將組成土星環(huán)的材料做成一個星球，這個由塵埃和冰構(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25萬千米，如此來說，土星環(huán)的平均厚度只有幾十米。不過近來科學家們對土星環(huán)的質(zhì)量和密度有了新的看法，他們發(fā)現(xiàn)土星環(huán)雖然看起來很平滑，但很多地方其實是由塊狀物構(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)離土星從近到遠的順序分別被命名為D、C、B、A、F、G和E。其實，土星環(huán)可以說多得數(shù)不勝數(shù)，仿佛一張巨大無比的密紋唱片，其上的光環(huán)成千上萬。關于它們的形成，現(xiàn)在的觀點有兩種，一種是由法國天文學家愛德華·洛希提出的，他認為土星環(huán)曾是土星的一個衛(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)。第二種觀點認為，土星環(huán)是土星形成之初原始星云的一部分，這個理論一直不為多數(shù)人所接受，因為他們認為土星環(huán)的年齡只有幾百萬年，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)相當古老，它可能已經(jīng)存在45億年了。

環(huán)辨

不過將土星環(huán)說成由衛(wèi)星演變而成也許并沒有錯，通過“卡西尼”號2007年傳回的數(shù)據(jù)，科學家至少在土星的一條光環(huán)——G環(huán)上找到了足以驗證這個理論的依據(jù)。G環(huán)位于土星環(huán)的外側(cè)，1979年，“旅行者”號飛經(jīng)土星時偶然發(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1.5萬千米，可是G環(huán)卻并沒有被土衛(wèi)一分解成灰塵云。現(xiàn)在，借助“卡西尼”號發(fā)回的數(shù)據(jù)，科學家發(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?？茖W家解釋說，G環(huán)內(nèi)曾經(jīng)存在過一顆衛(wèi)星，但不知是什么原因，它解體了，演化成了環(huán)，而“卡西尼”號恰巧看到了這個演化過程的最后一幕。

與G環(huán)相鄰的F環(huán)也是科學家們極感興趣的一條光環(huán)。這個環(huán)的奇特之處在于它時常改變外形使自己變成一種扭結(jié)的形態(tài)。科學家推測：F環(huán)中可能存在著尚未發(fā)現(xiàn)的小衛(wèi)星，當它們穿過這個環(huán)時，會對環(huán)的外形產(chǎn)生影響。2008年6月，科學家在《自然》雜志上公布了他們對這個環(huán)的最新的研究結(jié)果，他們說，F(xiàn)環(huán)中確實有這樣的小衛(wèi)星，而且，這個環(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)，其共同的作用會束縛和擠壓F環(huán)，導致它發(fā)生交錯現(xiàn)象。土衛(wèi)十六還沿著一個橢圓的軌道穿行于F環(huán)，每次穿行都會在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)成一個螺旋的形狀。科學家說，對于F環(huán)的研究意義重大，它有助于我們認識其他氣體巨星的環(huán)的行為，這種復雜的環(huán)與衛(wèi)星的互動關系會成為我們認識行星環(huán)的重要依據(jù)。

與F環(huán)相比，土星的A環(huán)和B環(huán)吸引了科學家們更多的視線。近年來，科學家在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)量已達幾十個之多。這使科學家們意識到，土星周圍這樣的小衛(wèi)星非常多，可能以數(shù)百萬計，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)將有助于人類對土星環(huán)乃至于整個太陽系形成理論的重新認識。A環(huán)與B環(huán)僅一“縫”之隔，這個“縫”就是卡西尼縫?？邕^卡西尼縫就是寬闊的B環(huán)，存在于B環(huán)上的最大謎團是它上面的輻射條紋，它們是一些由靜電造成的塵埃云團，在20世紀80年代便被發(fā)現(xiàn)了，然而直到現(xiàn)在，對它們的解釋依然是眾說紛紜的。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風粒子的沖擊?？茖W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，在土星的春秋時節(jié)最為明顯，今年8月，土星將過分點，屆時從事卡西尼任務的科學家們將對B環(huán)進行仔細的觀測，也許B環(huán)上的輻射條紋之謎會于不久之后得到更加合理的解釋。

光環(huán)歸來

此外，人們在土星環(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了100多千米，土星環(huán)的質(zhì)量實際上比先前估計的更大，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土星環(huán)的起源和壽命的認識。自“旅行者”號訪問土星以來，人們便一直認為土星環(huán)很年輕，也許就產(chǎn)生于地球上的恐龍時代，然而新的研究則表明，土星環(huán)和太陽系同樣古老，而且可能還會存在幾十億年。認為土星環(huán)很年輕的理由部分來源于一種簡單的常識，一個物體，假若它光潔明亮，它就可能是一個新器物，萬物皆同理，土星環(huán)雖存在于無垠的宇宙中，卻也不應該例外，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?所以科學家們曾經(jīng)認為，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，或許是一顆來自太陽系以外的星球運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”號對土星環(huán)的觀測日益細致，人們發(fā)現(xiàn)了新的事實?？茖W家使用“卡西尼”號搭載的紫外線圖像光譜儀仔細研究了土星環(huán)中的顆粒，他們發(fā)現(xiàn)土星環(huán)實際上是很粗糙的，其中的物質(zhì)大小不一，有些細于沙粒，有些大于巨石，環(huán)里的團塊夾雜著冰和巖石，在環(huán)內(nèi)物質(zhì)的循環(huán)過程中，它們將來自宇宙的污染物稀釋和吸收掉了，所以土星環(huán)看起來并不暗淡?？茖W家還用來自“卡西尼”號的觀測數(shù)據(jù)用電腦模擬了土星環(huán)內(nèi)物質(zhì)的運動情況，2008年9月，他們宣布說，土星環(huán)可能比先前預料的更大、歷史更久遠，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)相當古老，并且不會很快消失，這樣的環(huán)在宇宙中也似乎是不容易見到的?，F(xiàn)在人們知道，行星有環(huán)并不是稀有的現(xiàn)象，在太陽系里，海王星、天王星、木星都有環(huán)，然而它們的環(huán)都沒有土星環(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，或許這樣的環(huán)本來就非常稀有。

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

責任編輯龐云