1610年伽利略第一次用自制望遠鏡觀測土星時，看到了一顆邊界模糊的行星。當時，他把模糊的邊界解釋為土星的兩個大衛(wèi)星，一邊一個。但兩年后，“衛(wèi)星”消失了，兩年后又用完了。

伽利略非常困惑。他能給出的最好的解釋是，土星似乎有“翅膀”或“手臂”，有時張開，有時收緊。今天，我們知道他看到的其實是土星環(huán)。

2004年，美國卡西尼探測器環(huán)繞土星飛行，從各個角度拍攝土星環(huán)，讓我們了解更多細節(jié)。

大環(huán)內(nèi)套有小環(huán)

首先，讓我們看看土星環(huán)的全景。土星環(huán)極薄，厚度只有10米；而且面積極廣，直徑差不多35萬公里。這是宇宙中天文學家發(fā)現(xiàn)的最理想的二維平面。

但是這個環(huán)足夠亮，可以被我們發(fā)現(xiàn)，足夠密，可以擋住星光。如果要達到這種效果，就意味著組成環(huán)的“粒子”平均大小只有從高爾夫球到冰箱，而且必須壓實，使“粒子”之間的距離不超過一個人的一個肩膀。這些“粒子”99.9%是由冰塊組成的。它們總是相互碰撞，導致它們在運動上的差異消失，相鄰的“粒子”在軌道上以幾乎相同的方向和速度運動。

根據(jù)近距離觀察，土星環(huán)被分成許多大環(huán)。官方說法是7個大環(huán)，從土星近到遠分別是D、C、B、A、F、G、E環(huán)。但這只是人為的區(qū)分?？ㄎ髂岚l(fā)回的照片顯示，每個大環(huán)上都有數(shù)百甚至數(shù)千個小環(huán)，土星的整個環(huán)看起來就像一個刻有密集線條的老式記錄。我們觀察得越近，戒指看起來就越復雜。

這些環(huán)的成因很復雜。要知道，其實土星環(huán)不僅僅是由大小不超過冰箱的“粒子”組成的，直徑幾百到幾公里的微型衛(wèi)星，甚至直徑幾千到幾十公里的大型衛(wèi)星都被埋沒了。有些環(huán)是由微型衛(wèi)星移動時將軌道上的“粒子”掃過1空而形成的。有些是由于大型衛(wèi)星的重力將周圍的環(huán)形“粒子”吸引到它們的一側(cè)而引起的...

土星環(huán)也有自己的大氣層，獨立于土星的大氣層。它的大氣主要成分是氧氣和氫氣，它們是由太陽紫外線照射下環(huán)上的冰分解產(chǎn)生的。當然這種方法產(chǎn)生的氣氛很稀薄。如果在整個環(huán)上均勻分布，很可能小于一個原子的厚度。

戒指上的神秘圖案

土星環(huán)上還有一個類似螺旋槳結(jié)構(gòu)的圖案。它們有一對明亮的葉片，出現(xiàn)又消失。到目前為止，在A環(huán)發(fā)現(xiàn)的最大的“螺旋槳”大約有110公里長。

“螺旋槳”也是由埋在土星環(huán)中的微型衛(wèi)星引起的。這些微型衛(wèi)星一方面“清理”了自身軌道上的“粒子”，另一方面沒有足夠強大的引力來清理，所以留下了痕跡:在其“葉片”上，由于密集的冰“粒子”，暴露在陽光下時特別明亮。根據(jù)這一特征，科學家可以追蹤這些微型衛(wèi)星的蹤跡。他們發(fā)現(xiàn)這些衛(wèi)星是不確定的，改變軌道是常事；他們推測，這可能與一些大“粒子”的碰撞有關。

沿著環(huán)的徑向，土星探測器還觀察到一些神秘的徑向條紋，就像滾輪上的輻條。這些條紋的出現(xiàn)似乎與土星上的季節(jié)變化有關。

這些放射狀的條紋是怎么形成的？我還沒想明白。有推測認為，由于靜電斥力，空懸浮在土星環(huán)上，在土星磁場的作用下，它們與土星同步旋轉(zhuǎn)，光線照射的地方，其他地方變暗。

最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)來自B環(huán)的外緣。在這里，科學家們意外地發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)的平面上生長出一個高達3.5公里的山峰，就像濺在水面上的雨滴形狀。科學家們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這是由一顆距離環(huán)表面68000公里的衛(wèi)星引起的。衛(wèi)星的引力“拉動”了環(huán)中的物質(zhì)，形成了波峰。當然，這些山峰不是固體山峰，只是塵云。

土星環(huán)最大的秘密

當我們欣賞戒指上神秘的圖案時，別忘了土星環(huán)最大的奧秘就是它本身:這么漂亮的戒指是怎么來的？

雖然土星環(huán)面積很大，但它們的總質(zhì)量只相當于一顆直徑400公里的衛(wèi)星。所以，過去有一種觀點認為，一顆直徑約400公里的衛(wèi)星在空中間迷了路，離土星太近，被土星巨大的引力撕成碎片，形成土星環(huán)。

但這里有一個問題:這些環(huán)幾乎是由90~95%的冰組成，而原太陽系被認為是由等量的巖石和冰組成；那么，如果土星環(huán)被衛(wèi)星解體，巖石去了哪里？

所以一些科學家嘗試了另一種解釋，認為土星環(huán)起源于一顆巨大的彗星和土星的衛(wèi)星之間的碰撞。彗星中冰的比例很高，可以完美解釋土星環(huán)物質(zhì)的來源。

但也有科學家指出，海王星和天王星離彗星的起源更近，木星引力更大。彗星與它們相撞的概率幾乎是土星的10倍，土星似乎最不可能與這樣的彗星相撞。

2010年12月，一位美國女天文學家通過計算機模擬，從45億年前的原始氣體塵埃盤中，研究了土星剛誕生后的情況。在之前的一項研究中，她已經(jīng)證明了衛(wèi)星將誕生在氣體巨行星土星的周圍，其中一些衛(wèi)星將在行星的引力作用下墜毀。直到氣塵盤里的物質(zhì)足夠稀薄，這種誕生和崩潰的現(xiàn)象才停止。

她計算了如果土星最大的衛(wèi)星，直徑約5000公里的土衛(wèi)六向內(nèi)移動會發(fā)生什么。計算表明，這顆衛(wèi)星上的大部分冰在土星巨大的潮汐力作用下，先融化后凝結(jié)成冰，均勻地包裹著整個衛(wèi)星。當衛(wèi)星以螺旋形狀落入土星時，這個冰殼會剝離衛(wèi)星上的巖石核心，形成幾乎由純冰組成的土星環(huán)。

因為土星環(huán)是被這么大質(zhì)量的衛(wèi)星摧毀的，一開始環(huán)中的物質(zhì)密度比現(xiàn)在高幾個數(shù)量級，但是隨著一些新的冰冷的微型衛(wèi)星從環(huán)中出來，在重力的作用下分布在土星環(huán)的內(nèi)緣，后來土星環(huán)中的物質(zhì)密度大大降低。

基于這一計算，她推測土星環(huán)可能是在早期一顆非常大的土星衛(wèi)星落入土星后形成的。當然，這種碰撞過程可能會發(fā)生很多次:也許土星有很多大型衛(wèi)星，因為不斷的碰撞，死衛(wèi)星扔掉的冰“外衣”形成了土星環(huán)。

這個新理論的吸引力在于，它不僅可以解釋土星環(huán)的形成，還可以解釋為什么土星環(huán)的內(nèi)緣有那么多冰冷的衛(wèi)星，這也是土星長期未解之謎。最近的另一項研究似乎也支持土星環(huán)是由密度更大的環(huán)演化而來的結(jié)論。

到2017年，當卡西尼號測量完土星環(huán)的質(zhì)量時，我們也許可以測試這個假設是否正確。