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土星环:外貌、构成与成分

时间:2023-10-12 理论教育 版权反馈
【摘要】: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。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。)现代研究和卫星探测表明,土星环主要成分是水冰。

土星环:外貌、构成与成分

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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