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1610年，当伽利略用自制的望远镜首次观察土星时，他看到的是一颗有着模糊边界的行星，当时他把这个模糊边界解释成土星的两颗大卫星，一边一颗。但两年后，“卫星”消失不见了，再过两年，它们又跑了出来。 伽利略感到非常困惑。他能给予的最好解释是，土星好像有“翅膀”或者“手臂”，时而张开，时而收紧。而今天我们知道，他当年看到的其实是土星环。 2004年，美国卡西尼号探测器环绕土星轨道飞行，从各个角度对土星环进行了拍摄，从而让我们知道了更多的细节。 首先让我们来看土星环的全景图。土星环极其薄，其厚度只有10米;而面积又极其广，直径差不多有35万千米。这是天文学家目前在宇宙中发现的最理想的二维平面。 但环又亮到足够被我们发现，密度大到足以遮住星光。要想达到这个效果，意味着组成环的“颗粒”平均尺寸只有从高尔夫球到冰箱大小，而且必须密实到“颗粒”之间不超过人的一肩之隔。这些“颗粒”99.9 %是由冰块组成的。它们始终处于相互碰撞之中，碰撞导致它们运动上的差异消失，邻近的“颗粒”在轨道上以近乎一致的方向和速度运动。 近距离观察，土星环又分成许多大环，按正式的说法，大环共有7个，根据离土星由近到远，分别是D，C,B, A, F, G, E环。但这仅仅是人为的区分，卡西尼号发回来的照片显示，在每一个大环里还分布着成百甚至成千个小环，环环相套，整个土星环看起来像一张刻满密纹的老式唱片。我们观察时离得越近，环看起来就越复杂。 这些环产生的原因比较复杂。要知道，其实组成土星环的不仅只有尺寸不超过冰箱的“颗粒”，也有直径大约几百到几千米的微型卫星，甚至还埋藏有直径几千到几十千米的大卫星。有的环是当微型卫星运动时，把轨道上的“颗粒”横扫一空造成的;有的是则因大卫星的引力把周围的环“颗粒”吸引到自己身边而产生的…… 土星环还拥有自己的大气，独立于土星的大气。组成其大气的主要成分是氧气和氢气，这是环上的冰受太阳紫外线照射分解产生的。当然了，靠这种办法制造出来的大气是非常稀薄的，如果在整个环中均匀铺开，大概还不到一个原子的厚度。 土星环上还有一种酷似螺旋桨结构的图案，它们拥有一对明亮的桨叶，时隐时现。迄今在A环中找到的最大“螺旋桨”长约110千米。 “螺旋桨”也是埋藏在土星环中的微型卫星造成的。这些微型卫星一方面“清扫”自己轨道里的“颗粒”，另一方面又没有足够强的引力把它们清扫干净，于是就留下了痕迹：在它的“桨叶”上，由于冰质“颗粒”密集，经阳光一照射，就显得特别明亮。根据这一特点，科学家可以跟踪这些微型卫星的踪迹，他们发现这些卫星行踪不定，改变轨道是家常便饭;他们推测，这可能与一些大“颗粒”的碰撞有关。 沿着环的径向，土星探测器还观察到一些神秘的辐状条纹，就好像一个滚动的车轮上的辐条。这些条纹的出现好像跟土星上的季节变化有关(土星的1年相当于29.7个地球年)。 这些辐状条纹是怎么形成的?至今都没搞清楚。有一种猜测认为，由于静电排斥，土星环上空悬浮着一层微尘，在土星磁场作用下，它们和土星同步旋转，光照着的地方就发亮，其它地方则发暗。 最令人吃惊的发现来自B环的外边缘。在这儿科学家出乎意料地发现高达3.5千米的峰从土星环平面上长出来，就好像雨滴滴到水面溅起的形状。科学家现在已经弄清楚，这是距离环面68000千米的一颗卫星造成的。卫星的引力把环里的物质“拉扯”了出来，形成了一座座峰。当然，这些峰并不是坚实的山峰，而只不过是尘埃云柱而已。 当我们领略着环上一个个谜一般的图案时，别忘了土星环最大的谜还是它自己：这么一个美丽的环是怎么来的? 土星环虽然面积辽阔，但其包含的总质量却仅相当于一颗直径400千米大小的卫星。所以过去有一种观点认为，一颗直径大约400千米的卫星在太空中迷了路，太靠近土星了，结果被土星巨大的引力撕成了碎片，形成了土星环。 但这里有一个问题：这些环差不多是由90~95%的冰组成的，而原始的太阳系据认为是由等量的岩石和冰组成的;所以，如果土星环是由卫星瓦解而来，那么岩石上哪儿去了? 于是一些科学家尝试另一种解释，认为土星环起源于一颗巨大的彗星与土星卫星的碰撞。彗星上具有很高比例的冰，可以完满地解释土星环物质的来源。 但又有科学家指出，海王星和天王星离彗星的起源地更近，而木星又有更大的引力，彗星与它们相撞的机会差不多是土星的10倍，土星似乎是最不可能跟这样一颗彗星碰撞的。 2010年12月，一位美国女天文学家通过电脑模拟研究了45亿年前土星刚从原始气体和尘埃盘中诞生不久之后的情况。在之前的一项研究中她已经证明，从土星这种气态巨行星周围，会诞生出一颗颗卫星，这些卫星有的后来又会在行星引力作用下坠毁。这种诞生又坠毁的现象直到气体和尘埃盘中的物质足够稀薄了之后才停止。 她计算了假如土星现在最大的卫星——直径约5000千米的泰坦——朝内迁移会发生什么情况。计算表明，这颗卫星上大部分的冰在土星巨大潮汐力的作用下，首先融化然后又凝结成冰，均匀地把整颗卫星裹起来。当卫星以螺旋状掉进土星时，这层冰质外壳会剥离卫星上岩石质的核心，形成几乎由纯冰组成的土星环。 因为土星环是由质量如此大的卫星毁灭而产生的，起初，环中物质比现在要密实好几个量级，但是随着一些新的冰质微型卫星从环中“析”出来，并在引力作用下分布于土星环内边缘，土星环中的物质密度后来就大大降低了。 根据这个计算她推测，土星环也许就是早期一颗非常大的土星卫星坠落土星之后形成的。当然，这个坠毁过程也可能多次发生：也许土星原先有好多大卫星，因为不断坠毁，死亡卫星抛却的冰“外衣”形成了土星环。 这个新理论的吸引人之处在于不仅可以解释土星环的形成，还可以同时解释为何土星环内边缘聚集着那么多小质量的冰质卫星，——这也是土星的长期未解之谜。近期的另一项研究似乎也支持现在的土星环是从原先密实得多的土星环演化而来的这个结论。 到2017年，当卡西尼号完成了对土星环的质量测量之后，我们或许可以检验这个假说是否正确。 本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997 |
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