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土星环

2015-2-17 09:20|查看:2075|评论:0|字体: 繁体

土星环

卡西尼-惠更斯号于2006年9月15日拍得的土星环全貌(亮度在这张图中被强化了)

土星环是太阳系行星的行星环中最突出与明显的一个,环中有不计其数的小颗粒,其大小从微米到米都有,轨道成丛集的绕着土星运转。环中的颗粒主要成分都是水冰,还有一些尘埃和其它的化学物质。

虽然环的反射能够增加土星的亮度,但从地球仅凭裸眼还是看不见环。在1610年,当望远镜第一次指向天空之际,伽利略虽然未能清楚的看出环的本质,但他还是成为观察土星环的第一个人。在1655年,惠更斯成为第一个描述环是环绕土星的盘状的人。

虽然许多人都认为土星环是由许多微细的小环累积而成的(这个观念可以回溯至拉普拉斯),并有少数真实的空隙。更正确的想法是这些环是有着同心但是在密度和着亮度上有着极值的圆环盘。在丛集的尺度上,圆环之间有许多空洞的空间

在环的中间有一些空隙:有两条已经知道是与被埋藏在环中的卫星产生轨道共振引起的波动造成的,其它的空隙还不知道成因。稳定的共振,另一方面,也维系了一些环长期的存在,像是泰坦环和G环。

历史

土星环

Sustermans (c. 1637).绘制的伽利略肖像

伽利略是第一位在1610年使用望远镜看见土星环的人,但是他未能辨认出是环。他在写给托斯卡纳大公的信上说到:

土星不是单一的个体,它由三个部份组成,这些部分几乎都互相接触着,并且彼此间没有相对的运动,它们的连线并且是与黄道平行的,并且中央的部份(土星本体)大约是两侧[环的边缘]的三倍大。

他也把土星说成是有“耳朵”的。在1612年,土星环以侧面朝向地球,因此看起来似乎是消失不见了,伽利略因此而感到困惑不解,"是土星吞掉了它的孩子?"(参见希腊神话,神只为了防止他们的子孙造反夺权,会吃掉自己的孩子)然后,在1613年他又再看见了环,这使伽利略更加困惑。

在1655年被克里斯蒂安·惠更斯观测到完整的土星环,他使用了一个比在伽利略时代能得到强大得多的望远镜。惠更斯观测土星并写道:"土星,它被一个薄且平坦的环环绕着,什么地方都没有接触到,并且对黄道倾斜着。",但土星有环的说法直到1665年才被天文学家所接受。

在1675年,乔凡尼·卡西尼确定土星环由许多较小的环组成,中间并且有缝存在着,其中最明显的环缝在不久之后被命名为卡西尼缝。卡西尼缝存在于A环和B环之间,宽度有4800 公里。

在1787年,皮埃尔-西蒙·拉普拉斯 认为这些环是由为数众多的固体小环组成的。

在1859年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦证明土星环不可能是固体的,若是固体将会因为不稳定而碎裂。他建议环是由为数众多的小颗粒组成的,每个都独立的环绕着土星。透过光谱学的研究,立克天文台的詹姆斯·基勒在1895年证实了马克士威的学说。

物理特性

土星环

黑暗的卡西尼缝分开了在内侧宽广的B环和外侧的A环,这张影像是哈柏太空望远镜的先进巡天照相机在2004年3月22日拍摄的,较不明显的C环就在B环的里面。

土星环

卡西尼太空船从无光的一侧看见的土星环(2007年5月9日)。

使用现代的小望远镜或是品质精良的双筒望远镜就可以看见土星环。密集的主要环带从赤道上方7 000 公里延伸至80 000 公里,但估计它的厚度只有10米,并且99.9%都是冰,也许还参杂着少许的杂质,像是有机化合物托林或硅酸盐。主要环带中的颗粒大小范围从1厘米至10米都有。

环中最大的缝隙,像是卡西尼缝和恩克环缝,都能从地球上看见,两艘航海家太空船都发现环实际上是由数以万计稀薄的小环和空隙构成的复杂结构体。有许多方法可以造成这些结构,来自土星众多卫星的引力拉扯也可以。有些缝隙是微小的卫星经过所清除的段落,像是潘,可能还有许多尚未发现的,也有些环被一些牧羊犬卫星的重力维系着(像是普罗米修斯和潘朵拉维护着的F-环。)。其他的缝隙可能是与质量较大的卫星轨道周期产生共振造成的,米马斯维系着卡西尼缝的存在,还有更多的环状结构因为受到其他卫星周期性的扰动而产生螺旋状的波浪。

来自卡西尼太空船的资料显示土星环有自己的大气层,与行星本身无关而独立存在。大气中有氧分子(O2),这是来自太阳的紫外线与环中的冰交互作用而产生的。水分子之间的链结受到紫外线的刺激产生化学作用释放出并抛出了气体,尤其是O2。根据这些大气的模型,也有H2,O2和H2的大气层是很稀薄的,但莫名其妙的被凝聚在环的周围,它的厚度只是一个原子。环中也有稀疏的OH(氧化氢)气体,如同O2一样,这些气体也是水分子的崩解导致的,经由轰击将水分子崩解的高能量离子是由恩塞拉都斯抛射出来的。这些大气层尽管是非常的稀薄,还是被在地球上空的哈柏太空望远镜检测出来。

土星在它的亮度上呈现复杂的样式,大多的光度变化可以归咎于环的变化,并且在每个轨道周期有两个循环的变化。但是,由于行星轨道的离心率,使得叠加在北半球冲的时候比在南半球冲时更为明亮。

在1980年,航海家1号飞越土星时显示F-环是由三条细环像编辫子一样的纠结在一起,而呈现出复杂的结构;现在知道是在外面的二个环有突起的瘤,造成编织和纠结成团的幻觉,比较不亮的第三个环则在它们的内侧。

形成

土星环

艺术家在2007年描绘的土星环影像,冰冷的微粒聚集成环的固体部份。细长的丛集不断的形成和分散,最大的颗粒也只有几米的直径。

土星环可能非常古老,日期可以追溯至土星本身的形成,有两种主要的土星环形成理论。一种理论是在19世纪提出的起源于洛希极限,认为环原本是土星的一颗卫星,因为轨道的衰减而落入洛希极限的范围内,因不够紧密而被潮汐力扯碎掉(参见洛希极限),这种理论又演变出卫星被小行星或彗星撞击而瓦解的学说。从这种理论延伸的变化是卫星被一颗大的彗星或小行星碰撞而瓦解。第二种理论认为环从未曾是卫星的一部分,而是从形成土星的原星云中直接形成的。

它似乎可能是由一颗比米玛斯大,直径大约300公里的卫星残骸组成的。这种碰撞最可能发生在大约40亿年前的后期重轰炸期

冰屑的亮度和纯净被援引为土星环比土星年轻许多的证据,可能相差了一亿年,因为下降的尘土会导致环的亮度降低。但是新的研究显示B环所拥有的质量足以稀释下落的物质,因此可以避免因为太阳系的年龄造成实质上的光度变暗。环内的物质也许在碰撞中被瓦解后还能够回收再利用,这或许可以用来解释有些环中的物质明显的仍然处在很年轻的状态。

由拉瑞·艾斯波席托( Larry Esposito)领导的卡西尼UVIS团队,利用掩蔽恒星的技术在F环内发现了13个直径从27米至10公里的天体。它们都是半透明的,因此认为它们是由直径数米的冰砾暂时聚集起来的。 艾斯波席托相信这是土星环的基本结构体,微粒聚集在一起,然后又因撞击而炸开来。

土星环

由卡西尼号的小角度摄影机拍摄的影像以自然的颜色马赛克而成,由左至右依序为不受光侧的D、C、B、A和F环,日期为2007年5月9日。

土星环

受光侧的土星环,主要的细部构造加上的标示。

环内的细部和结构

土星环最密集的范围是被卡西尼缝(在1675年被卡西尼发现)分隔的A环和B环,在一起的是有部分愈卡西尼相似,在1850年发现的C环,这些构成了主环。主环是密集和包含比细小的尘埃环更大的颗粒,后者包含了向内一直延伸至土星云顶的D环,以及在主环系统外面的G和E环。"尘埃"这个字眼是用来描述散布在环内的小型微粒(通常只有微米的大小);它们的化学组成像主环一样,几乎完全都是碎冰。狭窄的F环,就在A环外侧的边缘,很难分类,它的部分非常密集,但也包含很多尘埃大小的颗粒。

环的主要细节

名称与土星的距离
(至中心,单位为公里)
宽度(公里)命名依据
D环66 900–74 5107 500 
C环74 658–92 00017 500 
B环92 000–117 58025 500 
卡西尼缝117 580–122 1704 700卡西尼
A环122 170–136 77514 600 
洛希环缝136 775–139 3802 600爱德华·洛希
F环140 180 (1)30–500 
"杰纳斯/艾皮米修斯"环149 000–154 0005 000杰纳斯和艾皮米修斯
G环170 000–175 0005 000 
"美索尼"环弧194 230?美索尼
"安德列"环弧197 665?安德列
"帕勒涅"环211 000–213 5002 500帕勒涅
E环181 000–483 000302 000 
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