美麗的土星環是如何形成的?懸吊在行星赤道上的巨弧,令人震驚

只要真的看過那無需支柱就能懸吊在行星赤道上的巨弧,我們的心思就平靜不下來,土星環可說是宇宙中一切奇特、不可思議之事物的象徵。我們看得愈清楚,就愈著迷。過去20年關於土星環的發現幾乎全盤推翻了以前的知識,一個全新的環系統出現了,既複雜又有趣,超越了過去的理論、觀測或想像。

美麗的土星環是如何形成的?懸吊在行星赤道上的巨弧,令人震驚


土星以外的大行星也有環,而且全都不一樣。即便以天文學的標準而言,行星環還是很奇特的東西。它們是由一些既微弱又違反直覺的力量塑造而成,例如在行星環裡,重力反而會產生排斥物質的效應。現在我們領會到,那些我們曾經以為是靜態的行星環,其實是不停地在變動發展;而我們也認清了衛星和行星環唇齒相依的關係;更重要的是,我們還知道行星環不僅僅是個精緻的現象而已。

跟馬克士威一樣,現代的科學家也體會到行星環與星系的相似之處;基本上來說,行星環也是一扇窗口,讓人類能深入探究太陽系古老的起源。

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伽利略於1610年頭一次窺見到土星環,50年後由海更斯將它解釋為環繞著行星的圈圈,而接下來三個半世紀則沒有別的發現。然而一下子在七年之間,科學家便發現另外三個大行星也各有其他的環。第一顆是天王星;1977年,康乃爾大學的艾略特在監視恆星的亮度時,天王星正從前面掠過,他注意到訊號在閃爍。他推論那是一連串稍呈橢圓或傾斜的窄帶,環繞著天王星所造成。1979年,航行者一號太空船觀測到木星模糊的星環。最後在1984年,科學家利用類似艾略特的技術,偵測到海王星環的片段(但不是完整的環)。

那些令人興奮的日子過了,行星環研究也停緩了下來——直到1990年代中期。自那時起,探究行星環的新時代開始了。哈伯太空望遠鏡、地面望遠鏡以及環繞木星的伽利略號探測船不斷送來觀測資料。土星最模糊的環及其衛星在1995年和1996年才看出來,因為那時候地球與土星的位置恰好使行星環與衛星出現於邊緣,以致減弱了來自主環的光芒。1997年發射的卡西尼太空船,將在2004年7月到達土星,展開為期四年的土星之旅。

環環相扣

儘管現今已知的四個行星環系統細節上各不相同,共通的特性仍然很多。它們都有豐富的紋理,由多個同心環組成,環間還有大小不等的間隙。每一個環都是由無數的石塊與冰粒所組成,這些粒子各自環繞著主行星,同時相互推撞。粒子的密度可以由光深度推敲出來,光深度也就是光垂直穿透行星環時,依指數函數衰減的參數。依據粒子密度大小,行星環可分成兩大類。最密的環,例如土星主環(標記為A與B)及天王星環(以數字和希臘字母為標記),光深度可高達4,意思是隻有2%的光透得過。最緊密的環所帶的粒子,直徑小至數公分大至數公尺。

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密度較大的行星環系統中,粒子經常碰撞,繞行星一圈就常得撞上好幾回。在此過程中,能量會散失,角動量也會重新分佈。因為較靠近行星的粒子跑得比外側的粒子快,而碰撞會拉回內圈粒子(然後掉向行星),並推開外側的粒子(跑離行星),因此行星環就會散開。但是散開需要時間,從這角度,行星環可以看成黏滯的流體,緩慢地向內與向外擴散。土星環實質的動黏滯度與空氣相當。


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