土星環(huán)之謎

在太陽系的所有行星中，就重量和大小而言，土星僅次于木星。與土星相比，地球極其微小，745個地球加起來就是一個土星。然而土星只是一個弱小的“胖子”。它的平均密度只有0.7g/cm，小于水的密度。如果把所有的星星都扔進水里，那么像球一樣漂浮的一定是土星。但是土星有一個奇特的景觀，那就是美麗的光環(huán)。這個光環(huán)像一條明亮的項鏈一樣掛在土星的脖子上。1979年，“先鋒11號”探測器飛越土星空，發(fā)現(xiàn)土星環(huán)像一個“致密記錄”，由大小不同的小石塊和冰塊組成，排列密集，一起圍繞土星旋轉(zhuǎn)。從地球上看，土星環(huán)的形狀總是在變化，甚至可能在幾年后“消失”。這是怎么回事？

卡西尼探測器進入土星軌道

2004年7月1日中午，美國東部時間，歷時7年飛越35億公里的卡西尼探測器終于成功降落在土星軌道，開始了對土星及其衛(wèi)星和土星環(huán)為期4年的探索。自從1610年伽利略第一次將望遠鏡對準天空以來，土星給人們留下了一個巨大的謎。伽利略看到，土星并不像一個單一的發(fā)光體，它的形狀像一顆三重星，兩顆小星星附著在大星星的兩側(cè)，與中心形成一條直線。伽利略連續(xù)觀察了三年，發(fā)現(xiàn)土星的這種形狀并沒有改變，于是他斷言土星有兩個衛(wèi)星，但這兩個衛(wèi)星是固定在土星兩端的。但是經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，這兩顆衛(wèi)星完全消失了，過了一段時間又重新出現(xiàn)了，看到了更多奇怪的土星形狀。伽利略對此無法解釋。

人們也對這個卡西尼探測器寄予厚望，希望它不僅能揭示更多土星家族的奧秘，還能從土星光環(huán)系統(tǒng)的觀測中探索太陽系起源和行星系統(tǒng)形成的秘密?？ㄎ髂崽栠€攜帶一個著陸器，將在六個月后卡西尼號接近土衛(wèi)六時釋放到木星最大的衛(wèi)星上。著陸器以土衛(wèi)六的發(fā)現(xiàn)者惠更斯命名。

不時出現(xiàn)和消失的土星環(huán)

在太陽系中，土星被認為是一個美麗的天體，它的光環(huán)曾經(jīng)被認為是一個不可思議的奇跡。經(jīng)過大量研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽系九大行星中，不僅土星戴環(huán)，木星、天王星、海王星也戴環(huán)。

1.在四顆有環(huán)的行星中，土星環(huán)是最壯觀、最壯麗的。意大利天文學(xué)家伽利略是歷史上第一個發(fā)現(xiàn)土星環(huán)的人。1610年，伽利略用新發(fā)明的望遠鏡觀察土星，發(fā)現(xiàn)似乎有東西在它的一邊。不幸的是，直到他去世，他才知道那些東西是什么。

2.1655年，荷蘭天文學(xué)家惠更斯終于找到了土星環(huán)形狀變化的原因:那是因為它以不同的角度面對著我們。當(dāng)我們只是從它的側(cè)面看時，薄薄的光環(huán)似乎消失了。土星環(huán)約10公里厚，6.6公里寬，可細分為幾個環(huán)形帶，其間有暗環(huán)形間隙。

3.1977年3月10日，包括中國在內(nèi)的許多國家的天文學(xué)家觀測到了一種罕見的天文現(xiàn)象——天王星藏星?？茖W(xué)家們對觀測結(jié)果大為驚訝:在天王星遮住星星之前，人們已經(jīng)觀測到了一組“面具”，而在天王星本身遮住星星之后，又觀測到了另一組類似的“面具”。這些“面具”是天王星周圍的一些“光環(huán)”造成的。這些環(huán)很薄，而且彼此相距很遠。1986年1月，美國發(fā)射的旅行者2號宇宙飛船飛越天王星時，發(fā)現(xiàn)了幾個新的波段。現(xiàn)在已知天王星有11個環(huán)。

4.“旅行者1號”于1977年9月發(fā)射。1979年3月初，它掠過這顆距離木星約27.5萬公里的巨大行星，發(fā)現(xiàn)木星也有一組薄環(huán)。木星環(huán)厚約30公里，總寬度超過6000公里。環(huán)與木星中心的距離約為12.8萬公里。

土星的環(huán)結(jié)構(gòu)是如何形成的

土星環(huán)是太陽系行星中最突出、最明顯的行星環(huán)之一。環(huán)中有數(shù)不清的小粒子，大小從微米到米不等，軌道以星團的形式圍繞土星運行。環(huán)中的粒子主要由水冰、一些灰塵和其他化學(xué)物質(zhì)組成。

雖然環(huán)的反射可以增加土星的亮度，但肉眼無法從地球上看到環(huán)。1610年，當(dāng)望遠鏡第一次指向天空空時，伽利略沒能看清土星環(huán)的性質(zhì)，但他成為了第一個觀察土星環(huán)的人。1655年，惠更斯成為第一個將環(huán)描述為圍繞土星的圓盤的人。雖然很多人認為土星的環(huán)是由很多微小的環(huán)堆積而成，但也有幾個真正的空缺口。更正確的想法是，這些環(huán)是密度和亮度都有極值的同心圓盤。在團簇的尺度上，環(huán)之間有很多空孔。

環(huán)的中間有一些空間隙:已知其中兩個是由于與環(huán)內(nèi)埋有衛(wèi)星的軌道共振引起的波動，其他空間隙的原因未知。而穩(wěn)定共振，也是長期維持一些環(huán)的存在，比如泰坦環(huán)，G環(huán)。土星的環(huán)結(jié)構(gòu)是由不同大小的粒子組成，不同的顏色代表不同的粒子大小，綠色是最小的粒子。目前，科學(xué)家的最新研究表明，土星環(huán)中冰晶和巖石的分布結(jié)構(gòu)是由粒子反復(fù)碰撞分離形成的，大多數(shù)粒子直徑小于1米，很少有較大尺寸的粒子。

土星最初的環(huán)結(jié)構(gòu)大約是今天環(huán)結(jié)構(gòu)的10-100倍。隨著時間的推移，環(huán)形結(jié)構(gòu)外層的冰與土星的微小衛(wèi)星融合在一起。因此無名巨行星與氫層的碰撞產(chǎn)生了壯觀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，孕育了新的衛(wèi)星。

科學(xué)家認為，氫層是這顆懵懂的巨型衛(wèi)星毀滅的主要原因，同時形成壯觀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是“宇宙謀殺”的證據(jù)。巨型衛(wèi)星毀滅后，其殘余物質(zhì)繼續(xù)圍繞土星，一個冰層結(jié)構(gòu)開始圍繞土星，于是土星的環(huán)狀結(jié)構(gòu)誕生了。

土星神秘的“光環(huán)”之謎已經(jīng)揭開。根據(jù)最新研究，土星環(huán)結(jié)構(gòu)是在一次“宇宙謀殺”中形成的，受害者是一顆45億年前消失的未知巨型衛(wèi)星?？茖W(xué)家認為，氫層是這顆懵懂的巨型衛(wèi)星毀滅的主要原因，同時形成壯觀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是“宇宙謀殺”的證據(jù)。巨型衛(wèi)星毀滅后，其殘余物質(zhì)繼續(xù)圍繞土星，一個冰層結(jié)構(gòu)開始圍繞土星，于是土星的環(huán)狀結(jié)構(gòu)誕生了。美國科羅拉多州西南研究學(xué)會的天文學(xué)家羅賓·坎特普說:“土星是一個幫兇，它促進了當(dāng)前環(huán)結(jié)構(gòu)的形成。”目前，這項研究發(fā)表在最近出版的《自然》雜志上。

先前的主流理論認為，土星的許多衛(wèi)星相互碰撞，導(dǎo)致碎片形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。然而，這個理論被證明是不合理的，因為事實上土星環(huán)結(jié)構(gòu)的95%是冰。羅賓說，我想一定是一顆更大的衛(wèi)星剝離了外層冰形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)。她的理論暗示氫層幫助建造并摧毀了這顆未知的巨型衛(wèi)星。羅賓指出，這顆無名的巨型衛(wèi)星可能是被氣體圓盤的重力驅(qū)動到土星的。這個死亡螺旋碰撞過程持續(xù)了一萬年，會更好的解釋土星環(huán)結(jié)構(gòu)的起源。

根據(jù)羅賓的計算機模型，土星在足夠長的距離剝離了這顆巨大衛(wèi)星的冰層，這些冰物質(zhì)被困在一個環(huán)形結(jié)構(gòu)中。土星最初的環(huán)結(jié)構(gòu)大約是今天環(huán)結(jié)構(gòu)的10-100倍。隨著時間的推移，環(huán)形結(jié)構(gòu)外層的冰與土星的微小衛(wèi)星融合在一起。因此無名巨行星與氫層的碰撞產(chǎn)生了壯觀的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，孕育了新的衛(wèi)星。

羅賓說:“這個理論將有助于解釋泰坦的形成。這顆奇特的內(nèi)部衛(wèi)星無法適應(yīng)其他衛(wèi)星形成理論。”土星有62顆衛(wèi)星，其中53顆已經(jīng)命名。不久前，NASA卡西尼探測器在定期勘測中發(fā)現(xiàn)了一顆新衛(wèi)星。羅賓說:“這個理論不能解釋太陽系其他衛(wèi)星的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成原理，比如木星、海王星、天王星，它們的環(huán)狀結(jié)構(gòu)可能以不同的方式形成?！?/p>

為什么土星有一個美麗的光環(huán)

目前的解釋也來自科學(xué)家的猜測，但這些猜測并非空穴來風(fēng)。一般認為土星的光環(huán)可以分為幾個不同的部分，最亮最寬的是A環(huán)和B環(huán)，較暗的是C環(huán)光環(huán)的各個部分之間有明顯的裂縫。最大的裂縫是位于A環(huán)和B環(huán)之間的卡西尼裂縫，它是由喬凡尼·卡西尼在1657年發(fā)現(xiàn)的，而A環(huán)中的科恩裂縫是由約翰制造的

通過飛船探測，人們還發(fā)現(xiàn)寬暈其實是由許多窄環(huán)組成的。目前，土星環(huán)形成的原因可能來自一顆衛(wèi)星。土星引力產(chǎn)生的潮汐力可以瓦解一顆進入其引力范圍的衛(wèi)星甚至行星。這種潮汐力可以阻止破碎的物質(zhì)結(jié)合成新的天體，這些破碎的物質(zhì)逐漸演化成土星周圍的光環(huán)。

近年來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)土星環(huán)主要由冰組成。因此，它很可能是一顆“冰殼衛(wèi)星”與土星周圍物質(zhì)碰撞的結(jié)果。死星的其他部分因為重量大而落入土星大氣層，還有一種說法是土星環(huán)是太陽系早期演化遺留下來的一些原始物質(zhì)。因為他們在羅氏極限內(nèi)繞土星運行，無法整合衛(wèi)星，最終形成了我們今天看到的光環(huán)。

結(jié)論:在望遠鏡中，太陽系中的一顆土星就像一頂草帽，它最大的亮點就是土星周圍的光環(huán)。但是直到現(xiàn)在，土星環(huán)仍然需要科學(xué)家花時間探索，因為還有太多的謎團有待解開！