艰难困苦,玉汝于成征文:土星、木星为什么有光环？

木 星 光 环 的 形 成
Formation of Jupiter's ring

在 七 零 年 末 期 ， 科 学 家 从 航 行 者 号 太 空 船 (Voyager Spacecraft) 发 现 木 星 (Jupiter) 是 有两 个 光 环 (ring) ， 后 来 他 们 更 发 现 木星 第 三 个 光 环 ， 由 於 这 光 环 比 较 透 明 ， 这 光 环 被 科 学 家称 为 薄 纱 光 环 (gossamer ring) 。

美 国 康 内 尔 大 学 (Cornell University) 的 宾 士 天 文 学 教 授 (Professor Joseph Burns) 根 据 伽 利 略 太 空 船 (Galileo spacecraft) 搜 集 的 资 料 ， 发 现 木 星 的 光 环 的 形 成 ， 是由 於 流 星 (meteoroid) 撞 击 木 星 四 个 细小 的 卫 星 所 产 生 的 尘 埃 ， 围 绕 木 星 漩 转 ， 形 成 光 环 。 因为 木 星 的 细 小 卫 星 体 积 不 大 ， 没 有 足 够 的 引 力 (gravitational force) ， 不 能 阻 止 流 星 的 尘 埃 飞 离 卫 星 表 面 。

木 星 的 直 径 约 为 十 四 万 三 千 公 里 ， 而 尘 埃 形 成 的 光 环是 分 布 在 离 木 星 核 心 九 万 至 二 十 五 万 公 里 的 上 空 。 图 中所 见 是 木 星 的 光 环 和 它 四 个 小 卫 星 ， 红 色 的 光 环 约 十 六公 里 阔 ， 是 由 流 星 撞 击 离 木 星 最 近 的 两 个 卫 星 Adrastea 和 Metis ， 所 产 生 的 尘 埃 而 形 成， 离 木 星 较 远 的 是 黄 色 及 绿 色 的 薄 纱 光 环 ， 是 由 流 星 撞击 离 木 星 较 远 的 两 个 卫 星 Thebe 和 Amalthea ， 所 产 生 的 尘 埃 而 形 成 ， 光 环
的 形 状 是 依 照 卫 星 运 行 的 轨 道 组 成 。

土星光环之谜

钮卫星

美国东部时间2004年7月1日中午时分，历时7年飞越了35亿公里的卡西尼号探测器终于成功地泊入了土星轨道，开始了它长达4年的对土星、土星卫星和土星光环的探测。自从1610年伽利略第一个把望远镜指向天空时，土星就给人们留下了一个巨大的谜团。伽利略看到土星不象一个单独的发光体，它的形状犹如三联星，紧靠着大星的两侧附有两颗小星与中心联成一条直线。伽利略连续观测了三年，发现土星的这种形状没有什么变化，于是断言土星有两颗卫星，不过这两颗卫星丝毫不动地固定在土星两端。但是接着观测下去却发现这两颗卫星竟然完全消失了，过一段时间后又出现，而且看到了更多离奇古怪的土星形状。伽利略对此无法解释。
荷兰物理学家惠更斯用倍数更高的望远镜观测木星后确认伽利略所描述的土星附属物决不会是两颗卫星，不过他真的发现了一颗土星卫星，后被命名为提坦（Titan），这是迄今所知土星总共31颗卫星中最大的一颗。1656年3月5日惠更斯公布了他对土星形状之谜的解答。不过这个解答是以谜语的方式公布的。答 案 是 一 句 话 ， 他 把 这 句 话 的 字 母 打 乱 了 ：aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttuuuuu。后来在一位知名人物的请求下，他把这些字母复原成了一句拉丁文：Annu lo cingitur, tenui, plano, nusquam cobaerente, ad eclipticam inc linato，译成中文为：有环围绕，环薄而平，到处不相接触，与黄道斜交。天体居然可以是环状的？在普遍认为天体应该是正球体的当时，惠更斯的这个解答某种程度上带来了更大的迷惑。
1675年著名天文学家卡西尼观测到惠更斯的土星光环实际上是双重的，内外两重环之间被一条黑暗的缝隙分隔，此缝现在被命名为卡西尼缝。卡西尼猜测土星光环可能由无数小颗粒组成，但当时及以后两百年里的天文学家们都认为土星光环是固态的，卡西尼缝只是固态环上的一个暗黑的标记。直到1856年英国著名物理学家麦克斯韦用力学理论证明，土星光环如果是固体的或液体的，那么它在转动时万有引力将会把它撕裂，它如果是由无数小的固定颗粒构成，在力学上就是稳定的。通过以后的望远镜和行星际探测器的观测，获得了更多的土星光环的细节，当然也证实了卡西尼的猜测和麦克斯韦的理论预言是正确的。
人们对这次的卡西尼号探测器也寄予厚望，不仅希望它揭示更多土星家族的谜团，还希望从对土星光环系统的观测中探索出太阳系起源和行星系统形成的秘密。卡西尼号还携带了一艘着陆器，六个月后当卡西尼号接近提坦时将把着陆器释放到这颗木星最大的卫星上，着陆器以提坦发现者的名字惠更斯来命名。

在太阳系中，土星被誉为美丽的天体，它戴着的光环曾被认为是不可思议的奇迹。今天科学家经过大量研究发现，在太阳系九大行星中，不仅土星戴着光环，而且木星、天王星和海王星也是戴着光环的。

在这4颗戴着光环的行星中，土星的光环最为壮观和奇丽。历史上首先发现土星光环的是意大利天文学家伽利略。1610，伽利略用刚刚发明不久的天文望远镜观测土星，发现它的侧面仿佛有一些什么东西。遗憾的是，直到他去世，也没有弄清楚那些东西究竟是什么玩意儿。

1655年，荷兰天文学家惠更斯终于搞清了土星光环形状不断变化的原因：那是因为它以不同的角度朝向我们。当我们恰好从它的侧边看去时，薄薄的光环就仿佛隐而不见了。土星光环厚约10余公里，宽约6.6公里，它可以细分为几个环带，中间夹着暗黑的环缝。

1977年3月10日，包括中国在内的许多国家的天文学家，各自观测到了一次罕见的天文现象——天王星掩恒星。观测的结果使科学家们大为惊奇：在天王星遮掩恒星之前，人们已经观测到一组“掩”，在天王星本体掩星之后，又观测了另一组类似的“掩”。造成这些“掩”的，原来是围绕着天王星的一些“光环”。这些环都极细，而且彼此都离得较远。1986年1月，美国发射的“旅行者2号”宇宙飞船飞越天王星时，又发现了几个新的环带。现在，已经知道天王星共有11道环。

“旅行者1号”是1977年9月发射的，1979年3月初，它从离木星大约27.5万公里处掠过这颗巨大的行星，发现木星也有一群细细的环。木星环厚约30公里，总宽度超过6000公里，光环与木星的中心距离约12.8万公里。

1989年8月，“旅行者2号”宇宙飞船飞越海王星时，证实了海王星也有光环。海王星的光环有5道。

冥王星是否也有光环，现在还不清楚，但有些科学家推测它也应该有光环。

科学家们经过观测研究后发现，行星的光环主要是由无数的小碎块组成。碎块的大小可以用米做单位来量度。每个碎块仿佛都是一颗小小的卫星，在自己的轨道上绕着主体行星运行不息。

那么，这些行星的光环究竟是怎样形成的呢？

早在1850年，法国数学家洛希就推断出：由行星引力产生的起潮力能瓦解一颗行星，或瓦解一颗进入其引力范围的过往天体。这种起潮力能够阻止靠近行星运转的物质结合成一个较大的天体。目前所知道的行星环就是位于这个理论范围内，其边界被称为洛希极限，是一个重力稳定性的区域。据此，科学家们对行星环的成因进行了三种推测；第一，由于卫星进入行星的洛希极限内，从而被行星的起潮力所瓦解；第二，位于洛希限内的一个或多个较大的星体，被流星撞击成碎片而形成光环；第三，太阳系演化初期残留下来的某些原始物质，因为在洛希极限内绕太阳公转，而无法凝集成卫星，最终形成了光环。

不过，对于光环的成因，科学家们目前还只能是进行猜测而已。更令他们疑惑不解的问题是那些窄环的存在，因为根据常规，天体碰撞、大气阻力和太阳辐射都会对窄环造成破坏，使它消散在空间。究竟是什么物质保护着窄环使其存在呢？一些学者提出，一定有一些人们尚未观测到的小卫星位于窄环的边缘，它们的万有引力使窄环得以形成并受到保护。这种观点被人们后来的发现所证实，因为人们不仅在土星而且在天王星的窄环中，也发现了两颗体积很小的伴随卫星，它们的复杂运动相互作用，使光环内的物质运动也缺乏规律性，也许这正是不同的行星环具有不同的形态的原因所在。

随着研究的深入，使人们当初的一种推测——行星环为太阳系演化初期残留下来的某些物质绕行星公转而成这一观点，受到了越来越多的学者的怀疑。比如，德国的一位天体学家认为，在1亿年前，一颗小彗星与一颗直径60英里的土星卫星发生碰撞，从而形成土星环。

与此同时，人们还提出了另外一个有趣的问题：为什么土星、木星、天王星、海王星有光环，而水星、金星、火星和地球却没有光环呢？

对于神奇的行星光环，科学家们仍然不断提出新的推测和假说。然而，随着天文新发现的增多，行星光环反而显得更加神秘莫测了。

行星的光环究竟是怎样形成的呢？

早在1850年，法国数学家洛希就推断出：由行星引力产生的起潮力能瓦解一颗行星，或瓦解一颗进入其引力范围的过往天体。这种起潮力能够阻止靠近行星运转的物质结合成一个较大的天体。目前所知道的行星环就是位于这个理论范围内，其边界被称为洛希极限，是一个重力稳定性的区域。据此，科学家们对行星环的成因进行了三种推测；第一，由于卫星进入行星的洛希极限内，从而被行星的起潮力所瓦解；第二，位于洛希限内的一个或多个较大的星体，被流星撞击成碎片而形成光环；第三，太阳系演化初期残留下来的某些原始物质，因为在洛希极限内绕太阳公转，而无法凝集成卫星，最终形成了光环。

不过，对于光环的成因，科学家们目前还只能是进行猜测而已。更令他们疑惑不解的问题是那些窄环的存在，因为根据常规，天体碰撞、大气阻力和太阳辐射都会对窄环造成破坏，使它消散在空间。究竟是什么物质保护着窄环使其存在呢？一些学者提出，一定有一些人们尚未观测到的小卫星位于窄环的边缘，它们的万有引力使窄环得以形成并受到保护。这种观点被人们后来的发现所证实，因为人们不仅在土星而且在天王星的窄环中，也发现了两颗体积很小的伴随卫星，它们的复杂运动相互作用，使光环内的物质运动也缺乏规律性，也许这正是不同的行星环具有不同的形态的原因所在。

随着研究的深入，使人们当初的一种推测——行星环为太阳系演化初期残留下来的某些物质绕行星公转而成这一观点，受到了越来越多的学者的怀疑。比如，德国的一位天体学家认为，在1亿年前，一颗小彗星与一颗直径60英里的土星卫星发生碰撞，从而形成土星环。

与此同时，人们还提出了另外一个有趣的问题：为什么土星、木星、天王星、海王星有光环，而水星、金星、火星和地球却没有光环呢？

对于神奇的行星光环，科学家们仍然不断提出新的推测和假说。然而，随着天文新发现的增多，行星光环反而显得更加神秘莫测了。

由于体积较大，离太阳比较远，吸引太阳系形成初期的碎石块成为小行星环，看上去像光环