土星光環(huán)變“暗”了？別擔心，它依然存在

作者:曾衡 段躍初

在浩瀚宇宙的舞臺上，土星的光環(huán)無疑是最為引人注目的天體景觀之一。它們就像宇宙精心打造的璀璨飾品，圍繞著土星，散發(fā)著神秘而迷人的氣息。然而，你是否知道，這些壯麗的光環(huán)有時會從我們的視野中悄然消失？

2025年1月23日，從地球上觀測，土星的光環(huán)將呈現(xiàn)出近乎邊緣的狀態(tài)，幾乎難以察覺。當我最近在西南夜空璀璨的金星附近欣賞土星時，就注意到了它的異樣。與金星相比，任何靠近它的天體都會顯得黯淡無光，金星的亮度極高，常常被誤認為是飛機或不明飛行物，而此時的土星看起來格外暗淡。這不僅是因為它幾乎位于太陽的另一側，距離地球達到了最大距離，因而比平常稍暗，更重要的是，土星那耀眼的光環(huán)正在從我們的視角中消失。平常寬闊的光環(huán)如今顯得異常纖細，幾乎就像一條橫跨行星的線。沒有了無數(shù)反光的冰粒增添土星的光彩，這顆行星的亮度還不到其他時候的一半。

但請放心，土星壯麗的光環(huán)依然存在。它們幾乎不可見有兩個原因：其一，光環(huán)的扁平程度超乎想象；其二，我們的觀測角度受到土星和地球各自軌道運動的影響。土星的光環(huán)不僅是這顆行星最顯著的特征，也可以說是整個太陽系中最為壯觀的結構。主光環(huán)直徑約28萬公里，如果將它們置于地球和月球之間，它們將覆蓋超過三分之二的距離！盡管光環(huán)如此巨大，但在土星距離地球超過10億公里的情況下，肉眼幾乎無法看到它們。不過，人類一旦開始用望遠鏡掃描天空，光環(huán)就被發(fā)現(xiàn)了，盡管它們的真實結構在當時仍然是個謎。

17世紀初，伽利略通過他簡陋的望遠鏡看到了土星的光環(huán)，但由于分辨率不足，無法看清其真實形狀，他將其稱為土星的“耳朵”。幾十年后，荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯意識到，這顆行星被一個“不接觸它任何地方”的環(huán)所環(huán)繞，正如他在《土星系統(tǒng)》一書中所寫。著名物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，他確定了支撐現(xiàn)代科技文明的電磁學方程，是第一個證明這樣的環(huán)不可能是固體的人，否則它會被撕裂。環(huán)的內邊緣圍繞土星旋轉的速度比外邊緣快得多，會將其粉碎。由此可知，土星的光環(huán)必定是由小塊物質組成，這些物質太小，地球上的任何望遠鏡都無法看到。更現(xiàn)代的觀測表明，這些小塊幾乎是純凈的水冰，這就是它們如此明亮的原因，因為冰是陽光的優(yōu)良反射體?，F(xiàn)代研究還表明，這些小塊大多比普通汽車還小，數(shù)量可能多達千萬億。

關于光環(huán)的形成，目前普遍認為，它可能是由于土星的一顆冰質衛(wèi)星受到一個來襲物體的猛烈撞擊而形成，這個來襲物體甚至可能是另一顆衛(wèi)星。有趣的是，目前還不清楚這一事件發(fā)生的時間。2023年發(fā)表在《伊卡洛斯》雜志上的一項研究，通過觀察原本閃亮的光環(huán)上暗微隕石塵埃的積累速度，發(fā)現(xiàn)從宇宙角度來看，光環(huán)非常年輕，年齡僅在1億到4億年之間。然而，2024年底發(fā)表在《自然·地球科學》雜志上的研究卻發(fā)現(xiàn)，這種塵埃的“污染”速度并不像之前認為的那么快。高速微隕石碰撞會使環(huán)粒子電離，賦予它們電荷，這使得它們容易受到土星強大磁場的影響，進而將物質吸引走，減緩了光環(huán)變暗的速度，這意味著光環(huán)可能要古老得多。

即便在光環(huán)被發(fā)現(xiàn)后的幾個世紀后的今天，它們仍然存在許多未解之謎。不過，關于它們在最初碰撞后如何形成，我們已經有了相對清晰的認識，這也解釋了它們?yōu)楹稳绱吮馄?，盡管其年齡仍然是個謎。由于土星衛(wèi)星及其撞擊體的軌道運動，碎片最初可能形成了一條長長的流，其中大部分可能沿著該衛(wèi)星的軌道運動方向分布。土星的其他衛(wèi)星在其赤道上方運行，所以這顆衛(wèi)星的物質最終也可能形成類似的結構。此外，由于土星并非完美球體，而是因其快速的10.5小時自轉周期在赤道處隆起，行星加厚的中部會將碎片扭轉到赤道正上方的軌道上，這就是為什么產生光環(huán)的撞擊會形成一個扁平的圓盤。

這里所說的扁平，是超乎想象的扁平。盡管光環(huán)直徑達數(shù)十萬公里，但它們極其薄，垂直方向最多跨越一公里。在某些地方，光環(huán)只有10米高，相當于三層樓的高度。盡管光環(huán)無比巨大，但如果將它們和土星本身縮小到直徑28厘米（11英寸），也就是一張標準紙張的長度，光環(huán)的厚度將比紙張薄100倍！最后，與土星大衛(wèi)星的引力相互作用，使這些環(huán)粒子進入略有不同的軌道。隨著時間的推移，它們形成了數(shù)千個單獨的環(huán)，以及其間的一些空隙。所以從上方看，光環(huán)令人驚嘆不已；但從側面看，它們薄如剃刀，極難被觀測到。

這就是我們現(xiàn)在所處的情況。和地球一樣，土星的自轉軸傾角很大，與所有主要行星公轉的黃道面夾角超過26度（地球的傾角為23度）。這意味著在土星的北半球夏季，它的北極向太陽傾斜。從比土星更靠近太陽的地球看過去，我們是“向下”看光環(huán)，可以看到它們的全貌。土星的公轉周期約為30年，所以在土星一年的大部分時間里，我們都能清楚地看到光環(huán)。然而，在土星的春分和秋分時，從地球上看光環(huán)更接近邊緣，實際上從太陽上看，光環(huán)是完全呈邊緣狀態(tài)的。但由于土星繞太陽的軌道相對于地球的軌道有輕微的傾斜，只有當?shù)厍蛞泊┻^光環(huán)平面時，我們才能在土星的分點看到光環(huán)恰好呈邊緣狀態(tài)。這種情況在分點附近可能發(fā)生兩次，地球先“向上”穿過平面，大約六個月后再“向下”穿過，這實際上使土星的光環(huán)從我們的視野中消失。

而2025年5月將迎來土星的秋分。3月23日，我們的地球將穿過光環(huán)平面，屆時，光環(huán)將達到消失的頂點，然后再慢慢重新進入我們的視野。但需要注意的是，在3月的那個日期，土星在天空中距離太陽只有10度，這使得觀測變得非常困難，時機實在不佳！雖然土星將在11月中旬再次穿過地球的軌道平面，但到那時，土星的自轉軸傾角將使光環(huán)從我們的視角稍微傾斜，所以我們只能看到它們非常接近邊緣的狀態(tài)。好消息是，11月土星在日落后很容易在南方天空中觀測到，并且通過望遠鏡仍然幾乎看不到光環(huán)。大家可以查看一下附近是否有天文臺或天文學會舉辦觀測活動！

參考文獻:

Plait, P. (2025, January 23). Saturn’s Rings Are Disappearing—But They’lScientific American