06.24 土星光環為什麼會有縫?

要說在夜空中太陽系的哪一顆大行星最漂亮,土星要說第二,那絕對沒有星敢說第一。

土星是太陽系第二大行星,其最大特點就是擁有一個巨大、明亮而美麗的光環。土星光環最早被伽利略所看到,但當時由於望遠鏡性能比較差,伽利略並未看出那是一個環,而認為是土星長了兩隻“耳朵”。直到50年後,惠更斯用更好的望遠鏡才看到了土星的環狀結構。

土星環主要由水冰冰塊構成,冰塊大小從微米量級到幾十米大小不等。土星環總寬度達到20萬公里,足足可以並排放下十幾個地球,但平均厚度只有幾十米,最多不超過150米,真可謂薄如蟬翼。

土星環一共有七條,分別編號為A、B、C、D、E、F和G環。這七條環並非按照位置順序排列,而是按照被發現的時間進行排列,每條環之間都有一條暗縫隔開。這些暗縫並非由黑色物質構成,而是真的沒什麼東西。

土星光環為什麼會有縫?

這有點奇怪,土星環為什麼不形成一個完整的環,而在一些特定的位置會形成一些什麼都沒有的縫呢?

這是由一種叫做“引力共振”的現象形成的。土星環是由很多微小的冰塊按照一定的速度環繞土星旋轉形成。根據開普勒行星運動定律,距離土星距離相同的冰塊其運行速度相同,而距離越遠,運行速度越慢。因此土星環外側的冰塊運行速度比內側冰塊要慢。開普勒精確地描述出了這種運行的速度與軌道半徑的關係,那就是運行週期的平方與軌道半徑的三次方成正比。

圍繞土星旋轉的除了光環,還有為數眾多的衛星。很難說出土星有多少衛星,因為每過一段時間這個數字總會被改寫。到目前為止六七十顆總是有了。其中有一些衛星的個頭還非常大,例如滅霸的家鄉土衛六泰坦,直徑達5150千米,比月球(直徑3470千米)要大多了。

土星光環為什麼會有縫?

這些衛星同樣按照一定的週期繞土星運動,也遵循開普勒行星運動定律。這些大個子衛星在被土星引力牽引著旋轉的同時,其引力也對土星環裡面的冰塊產生作用,將在衛星與土星之間的冰塊拉離土星,而將在土星後面的冰塊拉向土星。由於距離的原因,將冰塊拉離土星的作用比將背面冰塊拉向土星的力要大。一般情況下,冰塊被拉近和拉遠的作用長期來看是被相互抵消的,因此光環內的冰塊長期來看保持在一定位置上。

土星光環為什麼會有縫?

然而有一種特殊情況,當某顆大衛星的運行週期恰好是某個位置光環上冰塊運行週期的整數倍,這個位置上冰塊在每次衛星經過其上方時總是被拉離土星,久而久之,繞轉的大衛星就將這個位置上光環裡的冰塊全部拉高了一個位置,從而在那個地方形成了一條空白區域,於是就形成了土星環縫。

這種不同軌道高度的繞轉天體週期成整數倍的情況叫做引力共振,而土星環的很多環縫正是由於繞著土星旋轉的大衛星與那個位置的冰塊形成了引力共振作用而形成的。

引力共振現象不僅在土星光環形成時能看到,早期太陽系,木星、土星、天王星和海王星等幾個巨大的行星也是因為引力共振現象才被互相拽到今天的位置。


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