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骨碌研究室 | 太阳系的“指环王”

2022-02-23 16:04

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创儿博馆上海儿童博物馆

▲儿博馆新展项：“动感行星”

小朋友们，

你们能在八大行星中认出土星吗？

相信这不是一件难事，

因为你很难不注意到它

那巨大美丽的光环，

就像一个闪闪发光的戒指。

小互动：

手指点一点，找找土星在哪里？

没错，是我^_^

光环

之谜

大家都喜欢我的光环！

你们知道吗？在太阳系中，并非只有土星自带光环，木星、天王星、海王星也都有美丽的光环。但在这些光环中，只有土星的光环可以直接观察到，这种独特性使得它在历史上一度成为观测者眼里谜一样的存在。

伽利略一开始看土星光环时，感觉像是土星的两个把手，以为它们是两个独立的天体，但过了一两年后他却渐渐看不到它们了。不久，这个把手又突然出现了，“把手”的突然消失和出现给这位伟大的科学家造成了很大的困惑，据说他很担心自己在这项观测中产生了什么幻觉而一度停止了对土星的观测。

▲从伽利略开始，17世纪的科学家们对土星的渲染。（来源：Linda Hall Library of Science, Engineering & Technology）

我们现在知道，土星光环的“出现”和“消失”当然不是什么幻术把戏。之所以会这样，是因为土星环并不固定，而是一圈环形平面，与土星本身无直接接触。又因为土星的自转轴与它自身的公转平面有27度的夹角，土星环每29年（土星公转周期）周期性地朝地球倾斜或者背向地球。从地球的视角看来，我们看到的是不同角度的土星环，所以它的形状一直在变化。

▲模拟地球视角看不同角度的土星

1650年，荷兰天文学家兼物理学家惠更斯在使用更完备的望远镜后，终于观测到土星环的真实形状，解开了这个谜团。

知识卡片

1997年，美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局合作打造的“卡西尼”号探测器飞往土星，历时6年8个月，35亿千米的漫长旅行，于2004年进入轨道，进行全面考察，为我们揭开了土星环的神秘面纱。有关土星环的起源存在着许多不同的理论，根据卡西尼号收集到的数据，科学家们推断光环的存在时间大约在一千万年到一亿年之间。这意味着在恐龙生活的时代，土星开始逐渐转变成我们现在所看到的样子，这个巨大美丽的光环可能还很年轻。

你也许已经熟知土星环的美丽，但绚丽的表象之外，它的不少秘密可能会让你大吃一惊。

光环

之秘

我有许多小秘密！

土星环很大

“指环王”的王者气势可不一般。土星的光环是太阳系中最大最亮的，整个行星环系统的跨度可达2600万千米，以土星为中心向外延伸超过28万千米，距离相当于6个地球手拉手。光环由不计其数的颗粒组成，主要是水冰，尘埃和岩石，大小从微米到米不等，有的比一辆小汽车还要大。其中水冰占据了所有光环物质的95%以上，它们的反照率很高，所以土星环看起来十分明亮。这些颗粒在重力的作用下围绕着土星运转，放大后看起来，就像波光粼粼的海面。

土星环很宽

土星环的平均宽度有18~24万千米，好比10多个地球排成一排。按照被发现的先后顺序，科学家将距离土星从近到远的环位分别命名为D、C、B、A、F、G、E。最外面的E环离土星中心有3~4个半径那么远，周长大于月球到地球的距离。受到磁场的干扰，土星环在各个方向上的密度与宽度并不统一，环与环之间存在大小不一的缝隙，最大的一道位于A环和B环之间。这道宽度达4800千米的缝隙名为“卡西尼缝“，由法国天文学家卡西尼在1675年发现。

▲环位图。AB环之间的缝宽度达4800公里，是著名的“卡西尼缝”。

土星环很薄

土星环最薄的地方只有几米，最厚的地方大约150千米，像A环和B环这样的主环通常只有大约9米厚。大多数的光环厚度只有30米左右，与它十几万千米的宽度比起来，实在是非常薄。如果我们将土星缩小到一个篮球大小，那么环的厚度仅有人类头发厚度的1/250。也正是因为土星环如此之薄，所以当它侧对着地球，看起来像一条直线时，此刻如果伽利略使用不够完备的望远镜将无法观察到“隐身“的它。

光环在消失

关于土星环，还有一个重磅秘密——光环正在消失！科学家观察到，土星环中的物质正不断向土星掉落，看起来就好像土星正在逐渐“吃掉”土星环。最直接的证明是土星上发生的“光环雨”现象。是的，不要怀疑，土星上正在“下雨”，而且还是“暴雨”！事实上，现在土星上每秒会下10吨的光环雨，这个雨量半小时就能填满一个奥林匹克标准泳池。

土星上的雨和我们地球上的可不一样，光环雨是从光环落向土星大气的物质流。环中的物质怎么会向土星掉落呢？原本，光环的组成颗粒在固定的轨道上环绕土星运行，在土星的引力和轨道离心力间保持着平衡状态。但是受到太阳紫外线辐射和微流星体撞击的影响，环上的水冰和岩石颗粒开始不断你碰我，我撞你。这么一“打架”，就会被打破星环原有的受力平衡。然后这些颗粒感受到土星磁场的吸引，便会在引力作用下坠向土星。