行星环：太阳系探索揭示的奇迹

1610年，伽利略第一次观察到了土星环，然而他在有生之年也未能识别其真实身份——用他的望远镜观察，土星和它的行星环更像一个三星系统。半个世纪后，克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）借助更先进的设备，发现土星实际上被一系列圆环围绕着。4个世纪后，我们知道原来4个巨行星都拥有各自的环系，但没有一个像土星一样壮观。1977年，天文学家在仔细观察天王星在一颗恒星前的移动时发现它拥有行星环。随着天王星与该恒星的距离越来越近，它消失又出现几次后，最终完全黯淡。当天王星的另一边远离恒星时，同样的事情又出现了，只不过顺序相反而已。这说明，该恒星的星光被一个对称的环系挡住了，而不是被卫星挡住。两年以后，“旅行者1号”航天器发现木星周围有一系列圆环在围绕它运行；1989年，“旅行者2号”证实了海王星同样也有行星环。

行星环并不是固态的天体，而是数十亿独立的鹅卵石般大小的粒子，它们围绕着行星运动，各自有各自的轨道。行星盘里的粒子一般都紧挨在一起，因此粒子间的相互碰撞非常常见。但碰撞的速度很慢，因此不会对它们造成太大的伤害。但是，撞击事件却减少了粒子远离行星盘的上下运动，使得行星盘变得非常薄。土星环的跨度有几千千米，但它的厚度却只有几米。

行星环一般位于靠近行星的地方，在洛希半径（指没有内部拉力的天体被行星的引力拉拽分裂的距离）内。依靠自身引力聚在一起的大卫星无法在这一距离内存活。但我们倒是在土星环里发现了一些小卫星，这些卫星的构成物质一定十分坚硬，足以阻止它们被引力撕裂。

4个环系的旋转方向和它们所围绕的行星的自转方向一致。这说明它们可能是行星或其卫星形成后剩下的物质，或者它们也可能是由一个或多个规则卫星解体后形成的。因为假如它们的物质是从别处获得的，那么它们的运动方向不太可能一致。

行星环会随着时间而发生变化。行星环内粒子的碰撞会逐渐减少能量并使行星环变得越来越宽。有些天体向行星移动，有些则远离行星。和附近超小卫星的引力相互作用会拉近粒子间的距离，同时减慢环的解体，但无法完全阻止其解体。行星环里的粒子不断遭到在太阳周围运行、碰巧靠近行星的陨星的轰击，它们会侵蚀行星环，逐渐减少它的质量。不过，当卫星遭到撞击而喷射出碎片时，这些碎片可以用来补充行星环。这已经足够在太阳系的生命周期内维持木星、天王星和海王星的环系了，但对于质量较大的土星环来说，可能不够。

土星环的确是个例外（图12-5）。无论是规模还是质量，它都比其他行星环要大。不仅如此，构成它的粒子也和其他的不同——土星环几乎完全由纯水冰构成，这就是它比其他行星环更明亮的原因。土星环的质量会随时间而减少，并且被掠过陨石的黯淡岩石物质污染。这也许意味着土星环还比较年轻，也许只有1亿年的历史，比太阳系的年龄小得多。(www.xing528.com)

图12-5　“卡西尼号”探测器于2009年拍摄的土星B环详细结构图片。该图片中含有轮辐（靠近中心的谜一般的径向痕迹）以及士卫一的倒影，即位于图片底部的黑色条纹（图片来源：NASA/JPL/Space Science Institute）

对于土星环的形成原因，科学家们提出了几种推测。比如，它们是某颗大卫星在一次灾难性的撞击后解体而形成的。但是，这样的撞击不太可能会产生由纯水冰构成的行星环，因为我们所知道的太阳系里的所有卫星都含有相当多的岩石。近来，行星科学家罗宾·卡纳普（Robin Canup）提出了一个可信度更高的想法。他认为，土星可能曾经拥有两个像土卫六一样大的卫星，且靠近土星的那颗稍小一些。如果内部的那颗卫星的生成速度很大，它的温度就会升高，进而熔化，产生一个岩石内核，外面包裹着一层由纯水冰构成的地幔。当它形成后，内部的卫星就会往内迁移并穿过土星的洛希极限。土星的引力潮会将它的冰地幔剥掉，只剩下一个岩质内核继续迁移，直到最后坠落到行星上。被抛弃的冰地幔被土星的引力撕扯成许多小碎片，成为一系列围绕行星运动的大质量的环，有些也变成了土星那些由大量冰构成的卫星。从那以后，这些环便慢慢地演变和丢掉物质，于是就有了我们今天所见的规模不大也不小的环系。

虽然这个推理听起来似乎颇为可信，但它还没有被证实，一些科学家质疑从单个大卫星解体而来的碎片是否真的可能同时构成土星的环和它的冰质卫星。目前，土星环的来源依然成谜。也许它们的形成需要一些罕见的环境，这就能够解释为什么土星环远比它周围的行星环更亮。我们应该庆幸我们生活的太阳系拥有如此珍稀而美丽的现象。