土星环不止一环,这一环绕在星球四周的神奇构成呈现为一系列亮度不一的同心圆,其中有些土星环之间明显互相分离(1)。
早期的观测活动最开始看到的只是一个整体——远观下的一个匀质圈,是卡西尼发现了土星环中的一个主要缝隙,如今被称为“卡西尼缝”——介于灰色的外环与明亮的内环之间。即使用简易的设备也能发现这个缝隙,尤其是当观察土星环的视角倾斜度最小的时候。
随着观测手段的完善,邦德于1850年发现在明亮的土星环内侧还有一环,要观测到这个暗环,就需要设备具有足够强大的光学性能。该环呈透明状,透过它仍能看清土星的面貌,因而人们称它为黑纱环(2)。
这就是土星环的三个主要构成部分,这些环同心但明暗色度不一,同时圆环之间有一些或明显或隐约的空洞空间。
那么土星环所呈现的这种表象对应的是什么本质呢?
人们对土星环的第一印象是它是个连续体,就像一个环绕着球体的没有支撑的固态圈,但天体力学告诉我们不可能存在此类结构,因为固态的环带在受主星及其卫星相反的引力牵引时,这些反向牵引力会不停变换强度与方向,这条腰带注定要遭受高速和彻底的分崩离析,但我们也不能就此猜想这一带状结构是由液体或气体构成的。
从地球上看到的土星星系的不同样貌
唯一可能的解释是土星环由固体颗粒构成,但单个的固体颗粒超出了我们的目力可及范围。这些颗粒形成了密度不均的尘埃环,就像是具有连续性的溶液。那时卡西尼已经对土星环有了这样的概念,他于1705年写道:“这个环似乎是由大量小卫星构成的,它使土星看上去类似由无数小星体组成的银河。”
实验证实了天体力学的结论,多亏了土星环的光谱线位移(多普勒-菲佐原理),我们才得以揭示土星环不同区域的自转速度,这些区域遵循万有引力定律,离行星中心越远,转速越慢。根据定律,内环公转一周要4小时,外环则要14小时。另外,我们通过某些不规则表象也能注意到这些位移,威廉·赫歇尔便是借此确定了土星环的平均自转周期为10小时32分,因而以上所有数字并不矛盾。(www.xing528.com)
上文对土星环构成的论述极有力地解释了环内隐约的空隙、环与环间明显的分隔以及各区域的微粒数量不一或亮度不一等特性。所有这些微粒在做圆周运动时互相作用,以不断实现在某个特定时刻的稳定;它们集合后必然会于某个时期使土星环“消失”——这时我们望见的是这个整体的截面。
这些连续的颗粒散布成一片围绕在土星周围的巨大圆环,我们由此可知整个土星环的尺寸。上文已提到土星环的总直径长达278 000千米,厚度相较之下显得尤其微不足道。事实上,有人估测过土星环的厚度不超过60千米,甚至还有人认为只有15或20千米,这也解释了为什么从侧面看去土星环就会消失不见:人们只能看到一条难以觉察的细线(3)。在这些前提条件下,观测土星环的意义空前重大,因为我们有可能会面对土星星系的各种可视情况,不规则的可视区域意味着尘埃团本身的非均质结构。
尽管我们了解了土星环的整体构成,但对于其他信息要素我们仍不得而知:这些颗粒内在的本质是什么(4)?各自的尺寸是多少?它们紧挨在一起或互相远离彼此到了何种程度?在这些问题上,调查研究的手段还有所欠缺,我们无法有效获取信息,唯有将观测站建在土星系统的附近才能解决问题。至少我们可以断言,这一颗粒汇聚之物形成了一个相当不透光的整体,因为我们会看到土星环在土星表面投下的明显阴影。
(1) 现土星环主要环状带就分为了13个,部分主环下面还细分为不同环状带。主环从内到外分别为D环、C环、B环、卡西尼缝、A环、洛希环缝、F环、杰纳斯/艾皮米修斯环、G环、美索尼环弧、安德列环弧、帕勒涅环和E环。
(2) 即现在被称为C环的环状带。
(3) 根据康纳尔大学和NASA合作研究探明,土星环的厚度很薄,平均在10米左右。(可参见https://www.sciencedaily.com/releases/2005/11/051110220809.htm。)
(4) 现代研究和卫星探测表明,土星环主要成分是水冰。
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