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走近神秘的土星“项链”,它美丽外表下究竟是什么?又源自何处?

 爱可思文 2019-10-10

在太阳系所有的行星中,似乎都没有哪个像土星一样拥有独特的吸引我们的魅力。令人着迷的原因可能是它拥有的那巨大的环使其在我们的太阳系中脱颖而出。尽管木星,天王星和海王星都有自己的行星环,但是没有一个比土星的环更壮观。

走近神秘的土星“项链”,它美丽外表下究竟是什么?又源自何处?

图解:土星的独特行星环在卡西尼 - 惠更斯号太空船返回的照片中被描绘了出来。

土星环也是太空中的一大谜团。 但是,随着我们的航天器比以往任何时候都更靠近环,我们将更完整地了解它们的构成以及它们如何存在。

土星有六个主要的环,每个环都由成千上万的小环组成。 这些环是巨大的-最大的环直径跨越170,000英里(273,588公里)。 但是,它们的厚度非常薄-仅约650英尺(200米)厚。 它们并不像从地球上看上去那样是固体,而是由漂浮的水冰块,岩石和尘埃组成,其大小从斑点大到巨大的,类似房屋大小的碎片,都以环形绕着土星运行。 随着碎片颗粒的轨道运动,它们之间不断碰撞,粉碎了较大的碎片。

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图解:卡西尼-惠更斯号于2006年9月15日拍得的土星环全貌(亮度在这张图中被强化)

土星环不是完美的圆形,在有些地方由于附近卫星的引力会有所弯曲。 环上还包含轮辐,这些轮辐是由于漂浮在环上的极细尘埃颗粒被静电吸引并被拉到环上而产生的。

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图解: Sustermans (c. 1637).绘制的伽利略肖像

这些环以字母命名-A,B,C,D,E和F。它们不是按字母顺序排列,而是按其被发现的顺序排列(从靠近土星开始的实际顺序是- -D,C,B,A,F,G和E)。

A和B是两个最亮的环,B是六个环中最宽和最厚的环。 C有时称为纱环,因为它非常透明,而D几乎看不见。F环非常狭窄,由位于环内外两侧的两个卫星潘多拉(Pandora)和普罗米修斯(Prometheus)挤压束缚在一起。 这也是之所以称这两颗卫星为“牧羊卫星”的原因,因为它们控制环中颗粒的运动。

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图解:黑暗的卡西尼缝分开了在内侧宽广的B环和外侧的A环,这张影像是哈勃太空望远镜的先进巡天照相机在2004年3月22日拍摄的,较不明显的C环就在B环的里面。

相对其他环更远的是G环,最后是E环,它由非常细的(几乎是微观的)颗粒组成。 E环一直令科学家感到困惑,因为与其他环不同,E环被认为是由附近卫星散落的颗粒组成,E环被认为是由从土卫二的南极附近的火山间歇泉喷出的冰粒组成的。在几个环之间是以研究土星的天文学家命名的缝隙。

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图解:卡西尼太空船从无光的一侧看见的土星环(2007年5月9日)。

但是这些环是如何形成的,它们的年龄可能有多大了?我们下面分析。

土星环的起源

自从1610年伽利略通过早期的望远镜对着土星凝视以来,科学家们一直在思考土星的环是怎样的。从他观察的角度来看,伽利略推测土星不是单颗星,而是三颗星:一颗大中型星,上面有两个耳状的附属物,他认为这可能是大卫星。 伽利略观测土星超过一年。 然后他休息了一段时间,直到1612年重新观察时才看到了异常的东西。 这次伽利略只看到一颗星星,而不是他上次观看时看到的三颗星。 他正确地预测其他“星星”会回来,但他没弄清楚它们为什么消失了。

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图解:旅行者2号拍摄回的强化色彩后的图像显示了伽利略望远镜无法看到的细节。

1655年,当荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)通过一台更复杂的望远镜观察土星时回答了这个令伽利略感到困惑的问题。他认为多余的恒星实际上是环,它们很细,以至于从边缘看时似乎都消失了。如今,科学家们为伽利略和惠更斯的发现命名为环面穿越。土星绕太阳行进时,其环大约每14年边缘对着地球一次。 因此,当我们在这段时间内通过望远镜观察行星时,这些环是不可见的。

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图解:艺术家在2007年描绘的土星环影像,冰冷的微粒聚集成环的固体部分。细长的丛集不断的形成和分散,最大的颗粒也只有几米的直径。

惠更斯在评估土星时犯了一个错误。 他认为土星环是固态的。 五年后,法国天文学家让·佩拉因(Jean Chapelain)更准确地推测,这些环实际上是围绕土星运行的小颗粒。 苏格兰物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在1857年发现圆环必须由小颗粒构成时证实了这一理论。 若不是小颗粒构成,它们将被土星的引力向内拉,直到坠入土星内。

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图解:由卡西尼号的小角度摄影机拍摄的影像以自然的颜色马赛克而成,由左至右依序为不受光侧的D、C、B、A和F环,日期为2007年5月9日。

在20和21世纪,天文学家受益于技术,可以帮助他们发现土星环的秘密。 在1970年代末和80年代初,“先锋”号和“旅行者”号航天器向后方送回了环和组成它们的颗粒的特写视图。 近年来,卡西尼号飞行任务(美国宇航局,欧洲航天局(ESA)和意大利航天局(ASI)的共同努力)能够绕更接近土星环的位置运行并收集大量关于它们结构的新信息。

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图解:卡西尼号航天器在土星周围的轨道上的插图。

随着越来越了解土星环的组成,科学家们也一直在质疑环的起源。 他们相信,环是由彗星或小行星与一颗或多颗行星的卫星相撞并将它们破碎成许多碎片后产生的。 碰撞的碎片散布在土星周围,并形成当前的环形图案。

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图解:受光侧的土星环,主要的细部构造加上的标示。

还有不能确定的是环的年龄。 起初,它们被认为与太阳系一样古老。然后科学家推测,环中的冰如果积累了40亿年的尘埃应该要比现在脏的多。因此,他们将环的预估寿命推到了几千万年前。但是,当卡西尼号航天器送回迄今为止土星环最清晰的图像时,科学家们说,最初的推测可能是正确的。他们认为,环状颗粒很可能在40亿年的时间里得到了回收,并且它们将在未来很长一段时间内继续存在。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. STEPHANIE WATSON(斯蒂芬妮·沃森)-寒尘- science

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