Why 會有個環在土星?

土星 Saturn [小百科首頁]
　



航海家2號, 1981.7.　(C) NASA / JPL
　　土星是從太陽數來第六顆行星，也是太陽系第二大行星，軌道半徑為142,940萬公里 (9.54AU)；赤道處直徑為120,536公里；質量是5.68x1026公斤。

　　土星自史前時代就已為人所知。1610年，伽利略首度以望遠鏡觀測土星，他有注意到土星的奇怪形狀但無法解釋。由於地球每隔幾年就會通過土星環所在的平面，也就是說我們會因正對土星環的側面而無法看到環面，因而早期對土星的觀測常常出現難解的差異，直到一幅低解析度影像出現才大大改觀，1659年，Christiaan Huygens 正確推論出土星環的空間幾何狀態。以往我們以為土星是唯一有環的行星，直到1977年發現天王星具有微薄的環，稍後又發現了木星和海王星的環，才知道原來氣體行星都有環。

　　1979年美國探測船先鋒11號首度造訪土星，之後航海家一、二號 (Voyager 1/2) 也到過。2004年卡西尼號 (Cassini) 將會抵達土星，現在它正在路上。

　　用小型天文望遠鏡觀測就可以發現土星有一點扁平，它的赤道處與兩極處的直徑比為110% (120,536公里比108,728公里)，這是由於土星是流體行星且自轉特別快的緣故，其實其它氣體行星也是略扁，只是沒有土星這麼嚴重。

　　土星的密度是所有行星中最低的，平均比重只有0.7，比水還低。所以理論上土星會在水中浮起來，只要你找到夠大片的水體。

　　土星有75%的氫和25%的氦，加上少量的水、甲烷、氨以及「岩石」，和木星的組成一樣，也與太陽系的前身－原始太陽星雲 (Solar Nebula) 的組成相似。土星的內部結構也與木星類似，有一個岩石質的核、一個液態金屬狀氫層及分子氫氣外層，也有微量的冰。

　　土星內部是高溫的，核心可達12,000K，它發散至太空中的能量多於自太陽吸收的能量。和木星一樣，土星自產能量是由於 Kelvin-Helmholtz 效應，但此效應可能不足以完全解釋它所有幅射出的能量，也許還有別的機制存在。

　　木星的風帶非常鮮明，土星則模糊多了，在近赤道區還能看到一些。土星雲頂的細節在地球上觀測不到，直到航海家1號造訪才開啟了有關其大氣環流的瞭解，原來土星也有一些長命斑點 (右圖中的紅點) 及其它木星上常見的特徵。1990年，哈伯太空望遠鏡在土星赤道附近觀察到一團巨大的白色雲團，這是航海家時期還沒有的；1994年又觀察到另一團較小的氣旋 (左圖)。

　　從地球上可以觀察到土星有兩個清晰的環 (A環和B環) 及一個模糊的環 (C環)。A環與B環之間就是著名的卡西尼環縫 (Cassini division)，在A環外側還有一個模糊得多的恩克 (Encke) 環縫，這個環縫的命名大有問題，因為恩克很可能從未看過此環縫！後來航海家1號又新發現了4個模糊的環縫。雖然土星環自地球看起來像是一個連續平面，但其實是由各具獨立軌道的無數小物體所組成，它們的大小自1公分至數公尺不等，少數甚至有數公里寬。土星環非常薄，雖然它的寬度可達25萬公里以上，厚度卻不到1.5公里；它看起來頗為壯觀，但實際上包含的物質卻不多，如果把土星環所有的物體擠壓在一起，直徑連100公里都還不到。與其它行星環不同，土星環非常亮，反照率達 0.2至0.6，似乎是主要是由水冰組成，但也可能有一些包著冰殼的岩石。

　　航海家1號確認土星環有所謂的非同步輻射 (radial inhomogeneities) 現象存在，稱為「spokes」，這個奇怪的現象最早是由業餘天文學家所發現 (左圖)，此現象的成因至今仍成謎，但或許與土星的磁場有關。

　　土星的最外環F環，是由數個相互糾結的小環形成的複雜結構，此一特別結構可在航海家1號的影像中看到 (右圖)；但是航海家2號卻沒有觀測到，可能它觀測到的剛好是沒有糾結的部分。

　　土星有些衛星及環之間會產生複雜的重力共振現象，有所謂的「牧羊衛星」(shepherding satellites) 如土衛十五 (Atlas), 土衛十六 (Prometheus) 及土衛十七 (Pandora)，它們對維持環的穩定有舉足輕重的影響；土衛一 (Mimas) 使得卡西尼環縫中缺乏物質，與小行星帶中的 Kirkwood 環縫成因相似；土衛十八 (Pan) 則剛好位於恩克環縫中。這整個系統非常複雜，目前我們對其知之甚少。

　　土星環及其它類木行星環的起源目前仍未知。即使行星環可能自行星形成時就已存在，它們的系統並不穩定且勢必因各種作用而不斷更新，或許也會自較大的衛星分裂而來。

　　如同其它類木行星一樣，土星有很強大的磁場。

　　夜空中的土星很容易以肉眼看到，雖然它不如木星那麼明亮，但由於不會像恆星一樣閃爍，因此可輕易從繁星中辨認出來。使用小型天文望遠鏡即可看到土星環及較大衛星。有些網站可以顯示土星及其它行星在天空的現在位置；更多的細節及圖表則可以在一些星圖軟體如Starry Night中找到。

現在以一具成象質量好的天文望遠鏡放大80倍以上就可清楚看見光環（光環由矽石、氧化鐵和冰這些小如塵埃大如汽車物質組成）。土星環的起源主要有以下二個理論：19世紀Edouard Roche認為光環曾是土星的一個衛星，後由於逐漸接近土星而被土星潮汐力所撕裂，亦有認為是被彗星撞擊土星衛星後形成光環；另一個理論認為光環從來就不是衛星形成，而是在土星形成初期的原始星雲留下。但這理論現今不是很多人接受，因為相對於晚近起源的學說認為數百萬年前的土星光環是不穩定的結構。