土星光環
| 土星光環 |
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| 土星光環 |
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中文名稱 ：土星光環 來 源 ：土星 學 科 ：天文 特 點 ：使得土星成為群星中最美麗的一顆 |
土星光環是指圓球形的星體周圍有一圈很寬的"帽沿"，這就是土星光環，又稱土星環，土星可算是太陽系中較為奇特的一顆行星，在望遠鏡中看來，它的外表猶如一頂草帽，光環的存在使得土星成為群星中最美麗的一顆，令觀賞者讚嘆不已。幾百年來，人們一直以為太陽系中唯獨土星才有光環。直到20世紀70年代後期至80年代後期，天王星環、木星環和海王星環的相繼發現才使這一觀點得以改變。2009年，美國NASA通過斯皮策太空望遠鏡對土星進行觀測，發現土星還有一個超大的"隱形"光環，並命名為"菲比環"
目錄
星環介紹
土星最讓人着迷的便是美麗的土星環。伽利略在1610年用自製望遠鏡觀察土星時，發現土星有兩個"耳朵"。他誤認為土星可能是由一大二小三個天體組成，懷疑這兩耳朵是兩顆衛星。但他一直不敢將觀察結果發表，其原因是"衛星"並沒有繞土星公轉，似乎永遠停留不動。而更令他驚奇的是那兩顆"衛星"兩年後竟然失蹤，三年後又重新出現。半個世紀後，荷蘭天文學家惠更斯(Christiaan Huygens) 用更大更好的望遠鏡進行觀測，才揭開了這個謎。原來那兩顆"衛星"是與土星不相連接、環繞在土星赤道面上的光環。這光環由無數形狀、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轉，在太陽光的照耀下呈現出各種顏色。光環的直徑達27萬千米，厚度為10千米左右，自東向西自轉。1675年，意大利天文學家卡西尼(Giovanni Domenico Cassini)發現光環中有一圈空隙，這就是著名的卡西尼環縫。
土星環的結構
在17~19世紀被陸續發現。到20世紀80年代初，至少3個探測器對土星"走馬觀花"，發現環的結構極為複雜。人們根據地面觀測和空間探測，把土星環劃分為7層。距土星最近的是D環，亮度最暗;其次是C環，透明度最高;B環最亮;最後是A環。在A 環和B環之間就是著名的卡西尼環縫，縫寬約5000千米。在A環之外有E、F、G三個環，最外層的是E環，十分稀薄和寬廣。"旅行者1號和2號"探測器把土星環的近距離照片送回後，科學家們非常吃驚:原來每一層又可細分成上千條大大小小的小環，即使被認為空無一物的卡西尼縫也存在幾條小環。在照片中可見到F環有5條小環相互纏繞在一起。土星環的整體形狀類似一張巨大的密紋唱片，從土星的雲頂一直延伸到32萬千米遠的地方。 光環的顏色遠看是紅棕色，其實每層都稍有不同，C環是藍色，B環內層為橙色，外層為綠色，A環為紫色，卡西尼縫是藍色的。
土星的自轉軸
土星的自轉軸和地球一樣，也是傾斜的，土星的軸傾角是26.73°，地球則是23.45°。由於土星的光環和赤道是在同一平面上，所以它是對着太陽(也對着我們)傾斜的。當土星運行到其軌道的一端時，我們可由上往下看見光環近的一面，而遠的一面仍被遮住。當土星在軌道的另一端時，我們就可由下往上看到光環近的一面，而遠的一面依然被遮住。土星從軌道的這一側轉到另一側需要14年多一點。
在這段時間內，光環也逐漸由最下方移向最上方。行至半路時，光環恰好移動到中間位置，這時我們觀察到光環兩面的邊緣連接在一起，狀如"一條線"。隨後;土星繼續運行，沿着另一半軌道繞回原來的起點，這時光環又逐漸地由最上方向最下方移動;移到正中間時，我們又看見其邊緣連接在一起。因為土星環非常薄，所以當光環狀如"一條線"時就好像消失了一樣。1612年年底伽利略看到的正是這種情景;據說由於懊惱，他沒有再觀察過土星。
星環組成
卡西尼縫
1675年，J.D.卡西尼發現，土星環並不是一個完整的光環。在光環的周圍有一條暗線，把光環分成內外兩部分。外面的一部分比較窄，而且不如裡面那一部分亮，看起來像是兩個環套在一起。從那以後，土星環一直被認為是由幾個環組成的，叫卡西尼縫。1826年，德國血統的俄國天文學斯特魯維把外面的環命名為A環，把裡面的環命名為B環。1850年，美國天文學家W.C.邦德宣稱，還有一個比B環更靠近土星的暗淡光環。這個暗淡光環就是C環，C環與B環之間並沒有明顯的分界。在太陽系的任何地方都沒有像土星環那樣的東西，或者說，用任何儀器我們也看不到任何地方有像土星環那樣的光環。誠然，我們知道，圍繞着木星有一個稀薄的物質光環，且任何像木星和土星這樣的氣體巨行星都可能有一個由靠近它們的岩屑構成的光環。然而，如果以木星的光環為標準，這些光環都是可憐而微不足道的，而土星的環系卻是壯麗動人的。從地球上看，從土星環系的一端到另一端，延伸269,700公里(167,600英里)，相當於地球寬度的21倍，實際上幾乎是木星寬度的2倍。
土星環
土星環到底是什麼呢?J.D.卡西尼認為它們像鐵圈一樣是平滑的實心環。可是，1785年拉普拉斯(後來他提出了星雲假說)指出，因為環的各部分到土星中心的距離不同，所以受土星引力場吸引的程度也會不同。這種引力吸引的差異(即我前面提過的潮汐效應)會將環拉開。拉普拉斯認為，光環是由一系列的薄環排在一起組成的，它們排列得如此緊密，以致從地球的距離看去就如同實心的一樣。可是，1855年，麥克斯韋(後來他預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。光環受潮汐效應而不碎裂的惟一原因，是因為光環是由無數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心環的印象。麥克斯韋的這一假說是正確的，已無人提出疑義。法國天文學家洛希用另一種方法研究潮汐效應，他證明，任何堅固的天體，在接近另一個比它大得多的天體的時候，都會受到強大的潮汐力作用而最終被扯成碎片。這個較小的大體會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)，因此整個環系都處在洛希極限以內。(木星環也同樣處在洛希極限以內。)很明顯，土星環是一些永遠也不能聚結成一顆衛星的岩屑(超過洛希極限的岩屑會聚結成衛星--而且顯然確實如此)，或者是一顆衛星因某種原因過分靠近土星而被扯碎後留下的岩屑。無論是哪一種情況，它們都是餘留的一些小天體。(被作用的天體越小，潮汐效應也就越小，碎片小到某個程度之後，就不再繼續碎裂了，除非兩個小天體相互間偶爾碰撞。)據估計，如果將土星環所有的物質聚合成一個天體，結果將會是一個比我們的月亮稍大的圓球。因此這美麗的土星光環就有了其特殊的寓意:矢志不渝的愛情。據說兩個相愛的人在土星光環的見證下將會永永遠遠。
土星七環
根據地面和空間觀測結果得知，土星環系的主體含有A、B、C、D、E、F和G七個環以及環與環之間稱為環縫的一些暗區。環編號的次序是根據發現時的先後，而不是按它們離土星本體的遠近來確定的。環縫則通常以發現者的名字來命名，它們是一些質點密度相對很小的區域。最裡面的是D環，內側幾乎觸及土星表面，寬約為12000公里，與C環內緣隔開一個1200公里寬的蓋林縫。C環很暗，寬約19000公里。C環外是既寬又亮的B環，它與C環相隔一條寬1800公里的法蘭西縫，寬度約為25000公里，可以並排放上兩個地球。再往外就是A環，亮度僅次於B環，寬約15500公里。A、B兩環間是寬度為5000公里的卡西尼環縫，由著名天文學家卡西尼於1675年發現。卡西尼縫是永久性的環縫，另一條永久性環縫為A環中的恩刻環縫，寬度只有876公里。其他環縫既不完整又具有暫時性。A環向外依次為F、G和E環。其中F環很窄，寬度僅為30公里，它與A環間寬約3600公里的空缺區取名為"先鋒縫"。F環和G環都是空間飛船發現的。E環的情況比較複雜，物質分布呈現某種結構，寬度超過8萬公里，一直延綿到離土星表面20萬公里以遠的空間中。
土星環系的總寬度超過20萬公里，而最大厚度卻不超過150米，真可謂"其薄如紙"!無怪乎當它以側面對我們時會消失殆盡，這一點也曾使伽里略對自己的發現產生懷疑呢!關於環的起源至今未有定論，一種最流行的觀點認為，當一顆衛星離開土星太近時會為土星起潮力所瓦解，其結果便形成今天的光環。巨大的光環使土星成為太陽系裡一顆非常美麗的行星。土星的光環其實可分成幾個不同的部分，最明亮、寬闊的是 A 環和B 環，較暗的是 C 環。光環的各部分之間有明顯的裂縫，最大裂縫的是A 環和 B 環間的Cassini 裂縫，它是由 Giovanni Cassini 在 1657 年發現的。A 環內的 Encke 縫則是由JohannEncke1837 年發現的。通過飛船的探測，人們還發現較寬的光環其實是由許多狹窄的小環組成的。光環的形成原因還不十分清楚，據推測可能是由彗星、小行星與較大的土衛相撞後產生的碎片組成的。光環可能含有大量的水份，構成它們的是直徑從幾厘米到幾米的冰塊和雪球。某些光環，如 F 環的結構在鄰近的衛星引 力拉扯下結構發生了細微的變化。科學家在"旅行者"號飛船發回的一張圖片中發現，土星寬闊的 B 環上帶有放射狀的陰影，但在"旅行者"號此後拍攝的其他圖片中卻沒有。
據推測，這一現象可能因為光環在某些時候帶有靜電，漂浮在宇宙中的塵埃被吸附而造成的。據國外媒體報道，數百年來，全世界的天文學家們一直在嘗試着研究和查明土星光環的結構。同時，這些光環的成因則更顯得神秘莫測。不過，"卡西尼"號探測器傳回的最新觀測數據最終揭開了土星光環的"身世"--它們在數億年前均曾是土星的衛星，發生分解並演化為的帶狀結構。那些曾經的衛星已演化為體積相對平均的小石塊、灰塵和氣體。正如天文學家們所指出的，這一演化過程至少可以在土星的一條光環--G環上得到驗證。
科學家們在研究過程中發現，位於土星光環群外側的G環還受到了土衛一引力的影響。美國宇航局的專家們指出，土星G環由於距離其他環較遠，因此直到1979年才被飛經土星的"先驅"號探測器偶然發現。當時在科學家中間立刻產生了一個疑問:為什麼這條光環距離土衛一如此之近，卻並未分解為塵埃狀的雲團(土衛一的直徑為400公里，距離G環約15000公里)。藉助"卡西尼"號獲取的最新數據，科學家們終於可以為這一謎題給出答案。這是由於，在G環的內側存在着一個明亮的弧狀結構，NASA的專家們認為，該弧線是由一些直徑為數十米的大塊岩石組成的。這些相對較大的岩石在微型隕石的不斷轟擊下逐步分解並不斷演化為光環的一部分。不過，如果G環中的所有"大型"天體能夠融合為一個整體，那將會形成一個新的衛星。NASA認為，這顆衛星確實曾經存在過。NASA埃姆斯研究中心的傑夫·庫茲表示:"在土星G環中確實曾存在過一顆衛星。但不知何時，它發生了解體，並演化為一條由冰塊和碎石構成的光環。現在，我們可以清楚地看到這些前衛星的殘骸是如何環繞土星運動的。"G環中的那些大型天體正受到來自土衛一的弱引力作用。"卡西尼"號已清楚地記錄下了這種引力的存在。不過，科學家們也指出，在G環和土衛一之間存在着相互間的引力作用，並由此產生了所謂的"共振效應"。據推算，G環中的這些較大天體將會不斷發生分解並平均分散到整個軌道上。由此同時，由於這些天體的消失，土衛一受到的引力將會減小，並有可能逐漸遠離土星軌道。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)展現了土星北半球從秋分到冬至這段時間內光環的各個形狀。土星赤道與其運行軌道成27度斜角，與地球的23度角十分相似。土星的光環僅10公里厚，之所以略帶紅色，是因為它由有機物和冰構成。天文學家們正在研究這組照片，分析土星光環色彩和亮度的具體細節問題。土星外圍的光環是一堆岩石，因為地球排第3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。因為土星與木星都有非常強大的引力能吸引它們，而地球不僅遠離它們又沒有土星與木星這麼大的質量，所以地球是不可能擁有的。
隱形光環
1671年，天文學家卡西尼發現了土星的衛星"土衛八"。但是接下來的三十多年裡，卡西尼僅在土衛八運行到土星西側軌道時觀測到它，但運行到土星東側軌道時卻無法觀測到。1705年，卡西尼終於在土星東側軌道觀測到了土衛八，發現土衛八在東側軌道的亮度是在西側軌道時亮的的六分之一。隨後卡西尼提出了土衛八"陰陽臉:"認為土衛八肯定是有一面永遠朝向土星，所以土衛八黑白兩面位置是不變的，土星的"前臉"肯定要比"後臉"暗淡許多。然而事實上土衛八亮面的反射度要比暗面高出10-20倍，情況甚至比卡西尼曾經想象過的還要強烈，因為亮面和暗面兩個半球之間的劃分並不跟土衛八的軌道完全重合。
2009年，來自馬里蘭大學帕克學院的科學家道格拉斯-漢密爾頓提出了土星無形環概念，解釋了為什麼土衛八擁有"陰陽臉":一面是黑暗，另一面是蒼白的顏色。研究小組懷疑土衛八的異常現象可能與看不見的物體有關，當然在土星周圍可能存在的隱藏物體最大可能性為環結構。土衛八被土星強大的引力潮汐鎖定，這意味着它一面是完全朝向土星的，跟月球一樣自轉周期與公轉周期相同。但科學家發現土衛八黑暗的那一面有點特別，似乎被一層黑色的物質覆蓋，這些物質被認為來自看不見的環。更有可能的是，在土衛八的外層還有土衛九，跟土星的其他所有衛星不同，土衛九是以相反的方向環繞土星運行的，它距離土星非常遙遠，而且最重要的是，它非常非常黑。此外，土衛九在很長的時間裡不斷散發出穩定的顆粒流，因為太陽的輻射和輕微的碰撞足以讓塵埃顆粒脫離土衛九疏鬆的表面。
2009年，美國NASA使用斯皮策太空望遠鏡(NASA Spitzer Space Telescope)和廣角紅外巡天探測器對土星觀測的時候發現，在土星外圍有一個巨大的隱形光環，並命名其為"菲比環"(又稱"土衛九環")。菲比環平面與土星主光環面成27度傾角，內側距離土星約603萬公里，寬度約965萬公里。它的直徑相當於300倍土星的直徑，在其軌道上可排列170顆土星，整個環狀區域包裹的範圍是土星所占空間的7000倍左右。這個環比迄今發現的所有行星環都要更大、更分散和更稀疏。光環區域溫度較低，僅有零下193攝氏度，但卻散發出熱輻射，因此被斯皮策望遠鏡探測到。這個看不見的光環由塵埃構成，結合星體運行情況和土衛八"陰陽臉"的奇觀，構成這個超大光環的塵埃很大可能性就是來自於"土衛九"。
質量及年齡
在對土星B環質量進行的一次測算中，科學家們發現B環的一部分區域質量低於預期。一個研究組發現B環中透明度最差的部分並未如預期的那樣質量更大一些。甚至B環整體的質量也低於科學家們預期。儘管B環的一部分區域的物質密度要比臨近的另一條光環A環的密度要大10倍，但其質量只比對方多了2-3倍。據英國廣播公司(BBC)網站報道，相關結果已經發表在近期出版的科研期刊《伊卡魯斯》上。為了理解B環的質量問題，科學家們對所謂"螺旋密度波"進行了分析。這種波的結構模式直接受到光環質量大小的影響，因此對這種波的結構進行測量將讓科學家們能夠反推出光環的質量，就像給光環"稱重"。對土星光環結構的深入了解將有助於精確估算其形成時間。美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)的琳達·斯皮爾克(Linda Spilker)指出:"通過首次對土星B環進行精確稱重，我們朝着準確判斷土星光環的年齡和起源又邁出了堅實一步。"他說:"土星的光環是如此巨大，令人讚嘆。它究竟是如何形成的?我們無法抑制想要知道這個問題答案的渴望。"科學家着重研究了土星的B環。
這是土星環中最亮，也是透明度最低的一道。結果發現，雖然B環的透明度各處不同，但它們的物質濃度卻並沒有產生多大變化。他們首次對B環中心幾乎不透明部分的質量進行了測量。從技術的角度說，他們是通過分析螺旋密度波，來測定多處的質量密度。這些結構精巧的土星環是在土星及其衛星引力的共同作用下形成的。環中波紋的結構，與該處質量濃度直接相關。科學家還不知道透明度不同的物質為何擁有相同的質量。它可能與微粒的大小或稠密度有關，也有可能與環的結構有關。這張切圖展現了土星主環系統的部分結構。主要名稱和特點已用文字標出。NASA外表有時候會騙人。就好像霧蒙蒙的牧場肯定沒有游泳池來得透明，但是游泳池的密度更高，也擁有更多的水。對土星環質量的研究對於揭示它們的年齡也非常重要。質量低的環會比質量高的環演化速度更快，也會在隕石等影響下迅速變黑、變暗。因此，B環的質量越低，它就越年輕。其年齡可能只有幾百萬年，而不是通常以為的幾十億。為B環的核心部分"稱重"，是人們逐漸了解土星環年齡及其起源的重要一步。土星環是如此壯觀，以致於人們總想問個明白，它究竟是從何而來的?
土星環與眾不同
太陽系所有的巨行星都有環，但土星環與眾不同。了解土星環為何如此明亮和巨大，是在了解它們形成和發展過程中所要面對的最重要挑戰。對科學家而言，環中各部分的物質密度，是獲知其形成過程的關鍵。早前的研究顯示，B環中所含的物質比科學家曾經以為的要少。新的分析則首次直接測出了環中的物質密度，進而證實了這一猜想。土星B環的某些部分與相鄰的A環相比，其不透明度要高出10倍，但B環的質量只是A環的2至3倍。NASA這一分析採用了一種新的技術。卡西尼可見光和紅外測繪光譜儀透過土星環，指向一顆位於其後方的恆星進行了數據採集。將多次觀測結果合併後，就能將原本不明顯的螺旋密度波展現出來。分析結果還顯示，B環的平均密度要低於預期。這是一個非常令人震驚的結果，因為B環的某些部分透明度要比相鄰的A環低將近10倍，而B環的質量可能只有A環的2到3倍。儘管B環的質量非常低，但它仍然占去了整個土星環系統質量的大部分。人們還將着手對環的質量總和進行更為精確的測量。卡西尼號探測器曾經對土星的引力場進行過探測，獲得了土星及其環系統質量總和的數據。2017年，在卡西尼號使命的最後階段，它將從土星環內部飛掠土星，對土星本身的質量進行單獨測定。兩次測量數據的差異，就是土星環的真實質量。 [1]
視頻
太美了！土星光環里到底有什麼？