出品：科普中國
製作：劉博洋
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
發表在新一期美國行星科學期刊《伊卡洛斯》上的一項研究顯示，土星正在"吃掉"環繞運行的土星環！
土星的引力正在將土星環中由水冰組成的顆粒吸入上層大氣，在這種引力的作用下，土星環會在3億年後消失。如果將美國土星探測器"卡西尼"號發現的落向土星赤道的"環雨"（在重力的作用下，土星環中的塵埃顆粒和其它材料在不斷地降至土星地表）考慮在內，土星環將會在1億年內消失。
這個正在逐漸消失的土星環主要由水冰構成，所以顯得格外耀眼。長久以來，閃亮光環吸引著包括伽利略在內的眾多天文學家的目光，也讓他們困惑了幾個世紀。
凝視土星
太陽系幾大亮行星"金木水火土"之一的土星，自古為人所知。它的英文名Saturn來自羅馬神話中農神之名，這與其以"土"命名的中文名字似有暗合。
這顆土黃色光澤的行星，直到近代望遠鏡發明之後，才開始向世人揭示它的神奇魅力。1610年，意大利天文學家伽利略率先將望遠鏡指向了土星。
他發現土星並不止有單一圓面，在其兩側似乎有一對對稱的突起。伽利略的望遠鏡分辨率有限，他在手繪圖中將這對突起繪成兩個比土星本體稍小的圓圈，並認為這是土星的兩顆衛星。1612年，伽利略發現"兩顆衛星"不見了；不過沒用多久，努爾哈赤建立後金同年的1616年，土星光環再次出現在了伽利略的手繪中，這次他繪製出了一個圓環形狀，只是在他的手繪圖中，圓環上下兩端都被土星遮蓋，顯示出伽利略當時還是沒有搞清光環圍繞土星的事實。
伽利略手繪土星，上圖繪於1610、下圖繪於1616年（圖片來源：伽利略手繪）
1659年，荷蘭天文學家惠更斯使用成像質量更好的望遠鏡對土星進行了觀測。他正確地解釋了土星光環發生變化的原因：光環在空間中指向固定的方向，當它在一個"土星年"（大約30個地球年）中以不同的取向朝向地球時，我們會看到光環由豐盈到消失、往復循2環的過程。
惠更斯還發現了土星最大的衛星，現名為土衛六的"泰坦"（Titan）。不到20年後，天文學家卡西尼發現土星的另外4顆衛星，還首度觀測到土星光環最顯著的特徵、現在被稱作"卡西尼環縫"的物質稀疏區域。
示光環角度隨時間的變化，圖中明顯可見卡西尼環縫（圖片來源：哈勃太空望遠鏡拍攝的土星）
土星光環的本質讓幾個世紀的天文學家感到困惑。19世紀，美國天文學家基勒指出，土星光環由不連續的很多微粒組成，並非單一連續剛體——這在我們今天看來，是顯然的，沒有任何物體能承受那麼大的剪切力而不碎裂。這在1981-1982年旅行者一號、二號探測器飛越土星之後，變得再明顯不過：旅行者號對土星光環所攝得的照片中，我們已經發現了土星光環微粒在引力擾動下所呈現的一些暫現形態，一個動態的、有生命力的土星光環已經呼之欲出。
土星和變化之中的土星光環F環（圖片來源：旅行者號拍攝）
土星之春
兩次短暫的飛越不足以解答人們對土星的種種好奇。從80年代末開始，NASA開始計劃一次對土星的長時間環繞探測任務，卡西尼號任務計劃逐漸浮出水面。經過幾年的研發與準備工作，1997年10月15日，一枚泰坦IVB型火箭將卡西尼-惠更斯探測器送入太空。
經過幾次內太陽系的重力助推操作，2004年6月，土星北半球的隆冬時節，卡西尼號進入了土星軌道。半年之後，惠更斯號土衛六著陸器與卡西尼號分離，卡西尼號開始了孤獨而不寂寞的旅行。它的基本任務長度為4年，在那之後，卡西尼號在土星北半球的春天來臨之際，執行了長度為2年的"春分點任務"。2010年起，健康狀況良好的卡西尼號又踏上了長達7年的"夏至點任務"，這持續到了今年4月。自那之後的5個月，卡西尼號踏上了視死如歸的最後旅途，"偉大終章任務"。
卡西尼號任務跨越土星北半球的冬、春、夏三個季節，這樣長時間的觀測讓我們有足夠耐心，靜靜觀察土星的陰晴變化。
上圖為土衛十六與F環，下圖為春分附近的土衛三十五與基勒環縫（圖片來源：卡西尼號）
在土星光環的罅隙中，卡西尼號發現了土星光環層次分明的條帶結構形成和保持的原因：土衛十六"普羅米修斯"（Prometheus）在闇弱的F環內側繞土星公轉，只有139千米長的這顆小衛星長的像個土豆，所到之處在F環中掀起陣陣波瀾，彷彿驅趕羊群的牧羊犬一樣驅趕著環中的微粒——這被稱作光環中的"牧羊犬衛星"。另一顆大小、形狀都差不多的小衛星土衛三十五"達佛尼斯"（Daphnis）佔據了另一條賽道：它在明亮的A環外邊緣，獨自開墾出了一條整潔的小徑——基勒環縫。它也時不時用它看似微弱的引力在小徑兩邊捲起一些風浪："春分點任務"中，卡西尼號藉助2009年土星春分日附近太陽側照光環的寶貴時機，拍下了土衛三十五在基勒環縫兩邊捲起的、高出光環平面的"浪花"在光環上的影子，讓我們得以更直接測量出它的漫步對光環的影響究竟多大。旅行者號只窺得一目的光環變遷瞬間，在卡西尼的眼中終於連成一支支完整的影片。
土星的美麗光環點燃了無數詩人和科學家的美好幻想。其實，在八大行星中，天王星、木星、海王星可能也曾經擁有行星環，只不過現在已經不明顯了。在我們嘆息土星環消逝的同時，或許能夠看到它便是一種幸運。
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
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