張唯誠(chéng)

發(fā)現(xiàn)星環(huán)之路

在天文望遠(yuǎn)鏡誕生前，人們用肉眼是看不到星環(huán)的，但望遠(yuǎn)鏡一經(jīng)問(wèn)世，一些簡(jiǎn)單的記載便表明最早的望遠(yuǎn)鏡使用者可能隱隱約約地發(fā)現(xiàn)了星環(huán)。1610年，伽利略使用望遠(yuǎn)鏡觀察土星。他的觀測(cè)記錄表明，他發(fā)現(xiàn)土星旁邊有兩個(gè)類(lèi)似“耳朵”的東西，似乎土星是由一大二小3個(gè)天體組成的。伽利略懷疑這兩個(gè)“耳朵”是土星的兩顆衛(wèi)星，然而令人奇怪的是，它們看上去并沒(méi)有環(huán)繞著土星公轉(zhuǎn)。伽利略無(wú)法解釋這種現(xiàn)象，他將土星描述成“由三個(gè)部分組成的行星”。

其實(shí)，那“兩顆衛(wèi)星”就是土星的星環(huán)，只是伽利略的望遠(yuǎn)鏡倍率太低，星環(huán)并沒(méi)有清晰地顯示出環(huán)的形狀。1655年，荷蘭科學(xué)家惠更斯使用更精密的望遠(yuǎn)鏡觀察土星，完整的星環(huán)才第一次呈現(xiàn)在人們面前。因而，惠更斯成了第一個(gè)確認(rèn)土星星環(huán)的人。

另一個(gè)模糊的記載是有關(guān)天王星環(huán)的。天王星的發(fā)現(xiàn)者是英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇耳，那是在1781年。幾年后，赫歇耳在他的觀測(cè)筆記中寫(xiě)下了這樣一句話：“1789年2月22日，一個(gè)可疑的星環(huán)。”一些研究者認(rèn)為，這個(gè)記載表明，赫歇耳在1789年可能觀測(cè)到了天王星環(huán)。但僅憑這個(gè)簡(jiǎn)單的記載，人們無(wú)法確定他是否真的觀測(cè)到了星環(huán)。天王星距離地球很遠(yuǎn)，那時(shí)的望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該很難觀測(cè)到它的星環(huán)，加上從1789年到1977年的這段時(shí)間里，從未有人聲稱(chēng)觀測(cè)到了天王星的星環(huán)，說(shuō)明天王星的星環(huán)的確不容易被一般的望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在，人們公認(rèn)的天王星環(huán)的發(fā)現(xiàn)時(shí)間是1977年3月10日。那天，天王星運(yùn)行到一顆編號(hào)為SAO158687的恒星前面，把這顆恒星遮擋住了。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“掩星”，通常是研究一顆遙遠(yuǎn)行星的好機(jī)會(huì)。利用掩星現(xiàn)象，天文學(xué)家們可以研究星光的變化，從而獲取行星的諸多信息，也可以借此發(fā)現(xiàn)星環(huán)。果然，天文學(xué)家們?cè)谟^測(cè)這顆恒星的時(shí)候，記錄下恒星的亮度閃爍了好多次，這樣的閃爍通常是行星環(huán)遮掩恒星造成的。原來(lái)天王星也有星環(huán)。經(jīng)過(guò)分析，科學(xué)家們確認(rèn)，天王星的周?chē)嬖?個(gè)星環(huán)。1986年1月24日，“旅行者2號(hào)”航天器飛掠天王星時(shí)發(fā)現(xiàn)天王星有11個(gè)星環(huán)。2005年12月，科學(xué)家宣布，他們借助哈勃太空望遠(yuǎn)鏡又發(fā)現(xiàn)了天王星的2個(gè)新環(huán)。

進(jìn)入太空時(shí)代后，人們終于知道，在太陽(yáng)系里，星環(huán)并不是稀罕之物，除土星和天王星外，木星、海王星也有星環(huán)。1977年，“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了木星環(huán)。木星環(huán)由大量塵埃和碎石組成，反光能力不強(qiáng)，所以并不像土星環(huán)那樣容易被發(fā)現(xiàn)。海王星的星環(huán)，最外層的叫“亞當(dāng)斯環(huán)”，它似乎是由密度很高的塊狀物構(gòu)成的。海王星還擁有其他星環(huán)，都以海王星及其衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)者或觀測(cè)者的名字命名，如“勒維耶環(huán)”“伽勒環(huán)”和“拉塞爾環(huán)”等。

天王星和它的星環(huán)

海王星的“亞當(dāng)斯環(huán)”（外）和“勒維耶環(huán)”

離開(kāi)海王星軌道，再往遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向搜索，那就到了柯伊伯帶。它從距離太陽(yáng)大約 30 個(gè)天文單位的海王星軌道附近一直延伸到大約 55 個(gè)天文單位的地方。那里有一些冰凍天體，由形成太陽(yáng)和行星的氣體和塵埃的殘余物演變而成，名為“柯伊伯帶天體”。這些冰凍天體的體積通常不大，矮行星——冥王星就是其中之一，當(dāng)然還有一些體積更小的天體。2002年，科學(xué)家們?cè)诤Ｍ跣擒壍劳獍l(fā)現(xiàn)了一顆直徑為1250千米的天體，取名為“夸歐爾”，中文譯為“創(chuàng)神星”，它的直徑約為冥王星的一半（冥王星的直徑約為2400千米），因而也將它歸于矮行星之列。2023年2月8日，科學(xué)家們?cè)谶@顆矮行星周?chē)舶l(fā)現(xiàn)了星環(huán)。

小行星、彗星的混合體“女凱龍星”擁有兩個(gè)稀薄而冰冷的環(huán)（手繪圖）

創(chuàng)神星（手繪圖）

奇怪的星環(huán)

星環(huán)是怎樣形成的？這是天文學(xué)家們?cè)诎l(fā)現(xiàn)土星環(huán)后便開(kāi)始思考的問(wèn)題，因此解釋星環(huán)形成的相關(guān)學(xué)說(shuō)也不斷涌現(xiàn)。首先是碰撞說(shuō)。例如，有人認(rèn)為，天王星形成不久便遭受了一次強(qiáng)烈的沖撞，沖撞的天體不僅撞歪了天王星的自轉(zhuǎn)軸，還制造了大量的塵埃和氣體，它們中的一部分匯集到天王星赤道面附近形成了天王星環(huán)。

還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，行星的星環(huán)由衛(wèi)星被行星的潮汐力分裂后形成的碎片組成，這個(gè)觀點(diǎn)首先由法國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德華·洛希提出，用來(lái)解釋土星環(huán)的形成。最新的研究表明，土星環(huán)可能確實(shí)是這樣形成的。研究顯示，土星的一顆衛(wèi)星原本和其他衛(wèi)星一起環(huán)繞土星運(yùn)行，但到了距今2億到1億年間的某個(gè)時(shí)候，它變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致它的軌道過(guò)于靠近土星。最后，它便被土星巨大的引力撕裂成了碎片，其中一部分物質(zhì)墜落到土星上，另一部分則形成了土星環(huán)。

此外，還有一種說(shuō)法，就是在行星形成的時(shí)候，一些巖屑?xì)埩粼谛行侵車(chē)?。由于巖屑距離行星太近，它們不能形成衛(wèi)星，只能以分散的狀態(tài)存在，于是形成了星環(huán)。

這說(shuō)明，行星和衛(wèi)星的距離近到一定程度時(shí)，潮汐作用就會(huì)使衛(wèi)星傾向于破碎。這個(gè)使衛(wèi)星解體的距離的極限，也是由上文所提及的法國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德華·洛希計(jì)算出來(lái)的，人們稱(chēng)之為“洛希極限”，它指的是一個(gè)天體自身的引力與另一個(gè)天體造成的潮汐力相等時(shí)的距離。如果兩個(gè)天體之間的距離小于洛希極限，那么較大天體的潮汐力就可以將較小的天體撕碎，從而形成較大天體的星環(huán)。而在洛希極限以外，由于較小粒子之間的引力起到了主要作用，它們傾向于“相互吸引”，于是會(huì)聚集成衛(wèi)星。

根據(jù)洛希極限法則，星環(huán)出現(xiàn)在位置上是受到限制的，它不能出現(xiàn)在洛希極限之外，只能存在于洛希極限之內(nèi)或者附近。此前對(duì)星環(huán)的觀測(cè)和研究都證明了洛希極限的正確性，包括土星環(huán)、木星環(huán)、天王星環(huán)、海王星環(huán)，甚至還有小行星環(huán)。2013年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一顆具有小行星和彗星混合特征的半人馬型小天體“女凱龍星”，它擁有兩個(gè)光環(huán)，都存在于洛希極限之內(nèi)。

然而，新發(fā)現(xiàn)的矮行星——?jiǎng)?chuàng)神星的星環(huán)則打破了這一規(guī)則。巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)的天文學(xué)家布魯諾·莫爾加多參與發(fā)現(xiàn)了創(chuàng)神星的星環(huán)，他指出：“創(chuàng)神星的星環(huán)處在洛希極限之外，這非常令人不解。假若真是這樣，是否要重新思考行星環(huán)的規(guī)則了呢？”

破解“星環(huán)之謎”?

創(chuàng)神星距離地球很遠(yuǎn)，體積又很小，所以能觀測(cè)到這顆矮行星的星環(huán)并不容易。莫爾加多和他的同事們研究了2018年至2020年間，當(dāng)創(chuàng)神星遮擋了來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的星光時(shí)所顯示的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)采集自世界各地的望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡分布于納米比亞、澳大利亞和格林納達(dá)。另有一些觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自空間望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)恒星被創(chuàng)神星所遮擋，其亮度變暗的時(shí)間可以揭示創(chuàng)神星的一些細(xì)節(jié)，比如它有多大、是否有大氣層等。

通過(guò)研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這顆比冥王星小一半的矮行星也擁有星環(huán)。更令人驚訝的是，這個(gè)星環(huán)并沒(méi)有遵循規(guī)則處在洛希極限以?xún)?nèi)，而是處在距離創(chuàng)神星中心約4100千米的地方，大致是創(chuàng)神星半徑的7.5倍，是洛希極限的2倍多。這個(gè)星環(huán)由被冰覆蓋的顆粒組成，直徑大約8200千米。

矮行星——妊神星（左）和小行星“女凱龍星”（中）都有接近洛希極限 （ 黃色） 的星環(huán)（ 白色）。但創(chuàng)神星（右）的星環(huán)明顯超出了洛希極限

這一發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家們集體陷入了沉思：這是否意味著洛希極限要修正了呢？

為了解釋這種異?，F(xiàn)象，莫爾加多提出了幾種假設(shè)。他認(rèn)為，或許環(huán)繞創(chuàng)神星的星環(huán)是一個(gè)正在形成衛(wèi)星的環(huán)，而他和他的團(tuán)隊(duì)只是很湊巧地在星環(huán)尚未形成衛(wèi)星之前看到了它。莫爾加多認(rèn)為，能遇到這種情況非常幸運(yùn)，以至于他自己也懷疑這樣的幸運(yùn)是否真的能夠降臨。創(chuàng)神星還擁有一顆已知的衛(wèi)星“創(chuàng)衛(wèi)一”。當(dāng)然，也許創(chuàng)神星還擁有其他目前人們尚未發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星的引力也許很湊巧地穩(wěn)定住了這個(gè)星環(huán)。莫爾加多認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況也是有可能的。

還有一種假設(shè)，那就是星環(huán)中的粒子因?yàn)槟撤N原因難以黏合在一起，它們只能發(fā)生碰撞，卻無(wú)法聚集成一顆衛(wèi)星。這樣的情況如果真的發(fā)生，那么星環(huán)中的粒子就要具備真正的彈性，就像玩具店里的彈球一樣。

針對(duì)上述種種假設(shè)，為了找出答案，科學(xué)家們通常需要建立適用于各種場(chǎng)景的模型，然后將這些模型與對(duì)創(chuàng)神星星環(huán)的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，這樣的工作能幫助研究人員確定哪種情況最能解釋他們看到的創(chuàng)神星的星環(huán)所呈現(xiàn)出來(lái)的不可思議的現(xiàn)象。

科學(xué)家對(duì)創(chuàng)神星的觀測(cè)，還有可能揭示更多正在發(fā)生的事情。因?yàn)樘?yáng)系的其他地方還有可能存在更多奇異的環(huán)。莫爾加多認(rèn)為：“我毫不懷疑，在不久的將來(lái)，很多人都會(huì)將視線投向創(chuàng)神星，并試圖解答星環(huán)的疑問(wèn)?！?/p>

隨著人類(lèi)觀測(cè)宇宙的技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，人們正在發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的星環(huán)。但對(duì)于星環(huán)的一些古老的疑問(wèn)，人們似乎并沒(méi)有獲得滿(mǎn)意的答案。而諸如“星環(huán)在太陽(yáng)系中是一種怎樣的存在”“它們與環(huán)繞主星運(yùn)行的其他天體存在怎樣的聯(lián)系”“太陽(yáng)系之外又是怎樣的情景”等新疑問(wèn)還在層出不窮地出現(xiàn)。相信隨著科學(xué)家研究的不斷深入和觀測(cè)手段的不斷進(jìn)步，“星環(huán)之謎”必將進(jìn)一步獲得破解。