土星环 土星环形成之谜

1610年伽利略第一次用自制望远镜观测土星时，看到了一颗边界模糊的行星。当时，他把模糊的边界解释为土星的两个大卫星，一边一个。但两年后，“卫星”消失了，两年后又用完了。

伽利略非常困惑。他能给出的最好的解释是，土星似乎有“翅膀”或“手臂”，有时张开，有时收紧。今天，我们知道他看到的其实是土星环。

2004年，美国卡西尼探测器环绕土星飞行，从各个角度拍摄土星环，让我们了解更多细节。

大环内套有小环

首先，让我们看看土星环的全景。土星环极薄，厚度只有10米；而且面积极广，直径差不多35万公里。这是宇宙中天文学家发现的最理想的二维平面。

但是这个环足够亮，可以被我们发现，足够密，可以挡住星光。如果要达到这种效果，就意味着组成环的“粒子”平均大小只有从高尔夫球到冰箱，而且必须压实，使“粒子”之间的距离不超过一个人的一个肩膀。这些“粒子”99.9%是由冰块组成的。它们总是相互碰撞，导致它们在运动上的差异消失，相邻的“粒子”在轨道上以几乎相同的方向和速度运动。

根据近距离观察，土星环被分成许多大环。官方说法是7个大环，从土星近到远分别是D、C、B、A、F、G、E环。但这只是人为的区分。卡西尼发回的照片显示，每个大环上都有数百甚至数千个小环，土星的整个环看起来就像一个刻有密集线条的老式记录。我们观察得越近，戒指看起来就越复杂。

这些环的成因很复杂。要知道，其实土星环不仅仅是由大小不超过冰箱的“粒子”组成的，直径几百到几公里的微型卫星，甚至直径几千到几十公里的大型卫星都被埋没了。有些环是由微型卫星移动时将轨道上的“粒子”扫过1空而形成的。有些是由于大型卫星的重力将周围的环形“粒子”吸引到它们的一侧而引起的...

土星环也有自己的大气层，独立于土星的大气层。它的大气主要成分是氧气和氢气，它们是由太阳紫外线照射下环上的冰分解产生的。当然这种方法产生的气氛很稀薄。如果在整个环上均匀分布，很可能小于一个原子的厚度。

戒指上的神秘图案

土星环上还有一个类似螺旋桨结构的图案。它们有一对明亮的叶片，出现又消失。到目前为止，在A环发现的最大的“螺旋桨”大约有110公里长。

“螺旋桨”也是由埋在土星环中的微型卫星引起的。这些微型卫星一方面“清理”了自身轨道上的“粒子”，另一方面没有足够强大的引力来清理，所以留下了痕迹:在其“叶片”上，由于密集的冰“粒子”，暴露在阳光下时特别明亮。根据这一特征，科学家可以追踪这些微型卫星的踪迹。他们发现这些卫星是不确定的，改变轨道是常事；他们推测，这可能与一些大“粒子”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径向条纹，就像滚轮上的辐条。这些条纹的出现似乎与土星上的季节变化有关。

这些放射状的条纹是怎么形成的？我还没想明白。有推测认为，由于静电斥力，空悬浮在土星环上，在土星磁场的作用下，它们与土星同步旋转，光线照射的地方，其他地方变暗。

最令人惊讶的发现来自B环的外缘。在这里，科学家们意外地发现，土星环的平面上生长出一个高达3.5公里的山峰，就像溅在水面上的雨滴形状。科学家们现在已经发现，这是由一颗距离环表面68000公里的卫星引起的。卫星的引力“拉动”了环中的物质，形成了波峰。当然，这些山峰不是固体山峰，只是尘云。

土星环最大的秘密

当我们欣赏戒指上神秘的图案时，别忘了土星环最大的奥秘就是它本身:这么漂亮的戒指是怎么来的？

虽然土星环面积很大，但它们的总质量只相当于一颗直径400公里的卫星。所以，过去有一种观点认为，一颗直径约400公里的卫星在空中间迷了路，离土星太近，被土星巨大的引力撕成碎片，形成土星环。

但这里有一个问题:这些环几乎是由90~95%的冰组成，而原太阳系被认为是由等量的岩石和冰组成；那么，如果土星环被卫星解体，岩石去了哪里？

所以一些科学家尝试了另一种解释，认为土星环起源于一颗巨大的彗星和土星的卫星之间的碰撞。彗星中冰的比例很高，可以完美解释土星环物质的来源。

但也有科学家指出，海王星和天王星离彗星的起源更近，木星引力更大。彗星与它们相撞的概率几乎是土星的10倍，土星似乎最不可能与这样的彗星相撞。

2010年12月，一位美国女天文学家通过计算机模拟，从45亿年前的原始气体尘埃盘中，研究了土星刚诞生后的情况。在之前的一项研究中，她已经证明了卫星将诞生在气体巨行星土星的周围，其中一些卫星将在行星的引力作用下坠毁。直到气尘盘里的物质足够稀薄，这种诞生和崩溃的现象才停止。

她计算了如果土星最大的卫星，直径约5000公里的土卫六向内移动会发生什么。计算表明，这颗卫星上的大部分冰在土星巨大的潮汐力作用下，先融化后凝结成冰，均匀地包裹着整个卫星。当卫星以螺旋形状落入土星时，这个冰壳会剥离卫星上的岩石核心，形成几乎由纯冰组成的土星环。

因为土星环是被这么大质量的卫星摧毁的，一开始环中的物质密度比现在高几个数量级，但是随着一些新的冰冷的微型卫星从环中出来，在重力的作用下分布在土星环的内缘，后来土星环中的物质密度大大降低。

基于这一计算，她推测土星环可能是在早期一颗非常大的土星卫星落入土星后形成的。当然，这种碰撞过程可能会发生很多次:也许土星有很多大型卫星，因为不断的碰撞，死卫星扔掉的冰“外衣”形成了土星环。

这个新理论的吸引力在于，它不仅可以解释土星环的形成，还可以解释为什么土星环的内缘有那么多冰冷的卫星，这也是土星长期未解之谜。最近的另一项研究似乎也支持土星环是由密度更大的环演化而来的结论。

到2017年，当卡西尼号测量完土星环的质量时，我们也许可以测试这个假设是否正确。