卡西尼-惠更斯號于2006年9月15日拍得的土星環(huán)全貌（這張圖中的亮度被強化了）。來源：NASA/JPL/Space Science Institute
撰文 | 張?zhí)烊兀绹轮荽髮W(xué)奧斯汀分校理論物理博士）
責(zé)編 | 寒凌旭
審校 | 張雙南（中國科學(xué)院高能物理研究所研究員）
鄭永春（中國科學(xué)院國家天文臺副研究員）
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當(dāng)伽利略第一次把他自制的望遠(yuǎn)鏡指向天空時，該有怎樣激動？我們現(xiàn)代人可能很難體會他當(dāng)時的心境。他的確很了不起，作為人類的普通一員，能夠第一次欣賞到這么多的“地球之外”的美麗，足夠引為自傲了！
圖1：地球人觀察土星環(huán)
不過，1612年的伽利略很生氣，因為他從兩年前就一直觀察到的土星的“兩只耳朵”突然消失不見了！這個倒霉的事件甚至使他在這一年宣布說“放棄”對土星的觀測，將他的望遠(yuǎn)鏡指向了別的星球。
但公開宣稱“放棄”并不等于絕對不看，科學(xué)家的好奇心畢竟強過自尊心，況且，伽利略在潛意識中堅信土星的那兩只耳朵一定會再回來的，所以，他經(jīng)常還是會偷偷地往那個方向“瞄上一眼”。果然不出伽利略所料，1616年，耳朵又回來了，是什么原因呢？驚喜之下又帶給物理大師無盡的困惑……
復(fù)雜多變的土星環(huán)
現(xiàn)代天文學(xué)的觀點，是很容易解決伽利略的困惑的。人類早就知道伽利略看到的不是什么土星耳朵，而是如今人人皆知的“土星環(huán)”。土星和土星環(huán)都在不停的運動中，這個薄薄的環(huán)面相對于地球觀察者的角度也在變化。
如圖1b所示，當(dāng)環(huán)面比較“正面”地朝著地球，人類看到圓盤的大部分，當(dāng)環(huán)面?zhèn)让鎸Φ厍虻臅r候，從地球上看起來是一條線，伽利略望遠(yuǎn)鏡的分辨率不夠高，將正環(huán)面都看成了“耳朵”，當(dāng)然更不可能看見這條細(xì)線，所以產(chǎn)生了“耳朵消失又回來”的錯覺。土星繞著太陽公轉(zhuǎn)的周期是29.45年，其中有兩次側(cè)對地球，因此，地球觀察者觀測到土星環(huán)形狀變化的周期，大約是15年左右。
圖1a顯示了人類對土星環(huán)認(rèn)識的歷史變遷，惠更斯在繼伽利略看到“耳朵”的50年后，使用更大的望遠(yuǎn)鏡，認(rèn)識到那是與土星分離的、圍繞在土星周圍的一個“環(huán)”，又過了十幾年，卡西尼不僅確定了這是個環(huán)，還看清楚了環(huán)不止一個，起碼是由中間夾著一條窄縫的兩個圓盤狀的又薄又平的“分環(huán)”組成的。為紀(jì)念卡西尼的發(fā)現(xiàn)，后人將這一條分開A、B兩環(huán)之間的狹縫命名為“卡西尼縫”。到了2006年，由卡西尼-惠更斯土星探測器拍攝的土星環(huán)照片，進行一定的強度色彩處理后，是一幅既美麗浪漫又精致詳細(xì)的“童話”似的圖案。
然而，你要是坐在卡西尼號上，真正在近處把土星美麗的光環(huán)仔細(xì)看了個一清二楚的話，心中的童話世界可能要破滅了！那個看起來細(xì)薄如光碟、飄渺如輕紗般的“環(huán)”，原來是由大量冷冰冰硬邦邦的塵埃、冰粒和石塊組成的，近距離看來，似乎毫無美麗浪漫可言（圖2a），并且，在太空中飄蕩的卡西尼號還得小心，防止被這些大石塊“砸死”。
圖2：卡西尼號觀察土星環(huán)
如此看來，土星環(huán)并不是一個真正的“固態(tài)環(huán)”，就像銀河不是“河”一樣，看不清楚時，人們才把它們描述成“河”或者“環(huán)”。第一個認(rèn)識到土星環(huán)不是一個整體環(huán)的人是麥克斯韋。那時的麥克斯韋還年輕，只有二十幾歲，尚未成為“電磁學(xué)之父”。他開始研究土星環(huán)，是因為之前的大多數(shù)科學(xué)家公認(rèn)的“土星環(huán)固體模型”遭遇困難。行星邊上一個均勻剛性環(huán)的運動，在動力學(xué)上是不穩(wěn)定的，任何輕微的擾動都會導(dǎo)致環(huán)的分崩離析并落向土星。
麥克斯韋仔細(xì)地研究了各種固體環(huán)模型的穩(wěn)定性條件，經(jīng)過對引力和離心力的嚴(yán)格數(shù)學(xué)計算，排除了土星環(huán)的整體“固態(tài)模型”和“液態(tài)模型”，確定穩(wěn)定的土星環(huán)成分只有一種可能性：由數(shù)個可分離的部分（小固體碎片）聚集而成。
根據(jù)我們對土星的最新了解，土星環(huán)是由A-G七個主要環(huán)帶組成的，如圖3所示。其中的A、B、C……等，是以發(fā)現(xiàn)的循序命名。
圖3：土星環(huán)和衛(wèi)星系統(tǒng)（NASA/JPL/University of Arizona）
陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)的眾多環(huán)中，B環(huán)是最為顯眼的，其上最明亮的部分就應(yīng)該是當(dāng)年伽利略認(rèn)為和土星貼在一起的“耳朵”。A環(huán)的亮度次之。在B環(huán)以內(nèi)是后來發(fā)現(xiàn)的較暗淡的C環(huán)和D環(huán)。F環(huán)于1979年被先鋒11號發(fā)現(xiàn)的，照片上看起來像一條細(xì)細(xì)的鐵絲圈，嵌在A環(huán)的外側(cè)邊緣，但實際上它位于A環(huán)的3000公里之外，非常細(xì)小和密集，只有數(shù)百米寬。
F環(huán)是太陽系中最活躍的行星環(huán)，貌似簡單的一條線，實際卻具有數(shù)個小環(huán)互相糾纏形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)以小時為時間尺度變化。G環(huán)是非常薄與黯淡的環(huán)， E環(huán)位于最外層，散布寬廣，開始于土衛(wèi)一，結(jié)束處已經(jīng)達(dá)到土衛(wèi)五（麗亞）的軌道附近。
土星環(huán)除了7個主環(huán)外，其間還有許多小環(huán)帶和狹縫，可謂是：環(huán)中有縫，縫中有環(huán)，環(huán)縫相扣，趣味無窮。此外，即使你從卡西尼號上面觀測，也不能否定這個環(huán)的確是特別地“薄”！它的直徑不小于25萬公里，厚度卻頂多只有1.5公里左右。
卡西尼號還觀測到在薄薄的垂直（厚度）的方向上，也存在一定的“結(jié)構(gòu)”。這點不難理解，既然這些“環(huán)”并非剛性固體，其中的冰塊及碎片必定處于不停的運動中，這些運動主要是被行星等的引力所主宰，一定的條件下也有電磁力在起作用。運動的方向除了受旁邊的行星、衛(wèi)星等軌道運動的影響之外（下面會介紹），朝著四面八方，包括與環(huán)面垂直方向的隨機運動在所難免，從而造成了豎直方向上的“結(jié)構(gòu)”。結(jié)構(gòu)具體細(xì)節(jié)如何、形成的原因以及遵循的規(guī)律，都是天體物理學(xué)家們研究的對象。
太陽系有多少“星環(huán)”？
望遠(yuǎn)鏡是人類視力向太空的延伸，僅僅憑著人的眼睛，很難觀察到土星環(huán)。伽利略、惠更斯等人借助于越來越大的望遠(yuǎn)鏡，確定證實了土星環(huán)。那么，太陽系中其它行星是否也有環(huán)呢？
在上世紀(jì)90年代末期，天文學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了天王星、海王星、木星等氣態(tài)行星，都有圍繞它們的“環(huán)”，并且每一個行星環(huán)都不一樣，各有其特色（圖4a和圖4b）。冥王星是否帶環(huán)，還尚無定論，也許新視野號對它的探測會給我們一個意外的驚喜。
有趣的是，土星的一個衛(wèi)星-Rhea（麗亞，或稱“土衛(wèi)五”）也可能有一個稀薄的環(huán)系統(tǒng)，見圖5。這是太陽系中迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一一個（可能）帶環(huán)的衛(wèi)星。
圖4a：四大外圍行星 “環(huán)”的復(fù)雜程度及大小之比較
圖4b：太陽系的氣態(tài)行星和它們的行星環(huán)
以上說麗亞環(huán)系統(tǒng)“可能存在”，是因為尚未能被拍攝到的影像直接證實，而是根據(jù)其他物理現(xiàn)象得到的推論。
2005年，卡西尼號發(fā)現(xiàn)土星的磁氣層在麗亞附近有高能量的電子。有人認(rèn)為最好的解釋就是假設(shè)麗亞的赤道附近存在盤面狀的“環(huán)”，能夠?qū)㈦娮游皆谄渲械墓腆w物體上。如果按照這個模型來解釋磁氣層的電子問題的話，這些相對密集物體的大小可能從幾厘米到1米左右，而可能的環(huán)面則有3個。
圖5：麗亞環(huán)和小行星的環(huán)（藝術(shù)家想象圖）
2014年，巴西國家天文臺公布一項新發(fā)現(xiàn)：土星與天王星之間的一個名為（Chariklo）（中文名“女凱龍星”，或“查理洛”）的小行星周圍，環(huán)繞著一個行星環(huán)。
這是人類首次在太陽系內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的小行星環(huán)系統(tǒng)，其中包含兩道狹窄但密集的環(huán)，寬度分別為6到7千米和2到4千米，相距9千米左右。查理洛小行星大小只有260公里，是太陽系的“帶環(huán)者”中個頭最小的天體。不過，查理洛在半人馬小行星中算是大的。
麗亞環(huán)和查理洛環(huán)的發(fā)現(xiàn)帶給天文學(xué)家們驚喜，這才知道不僅僅大行星有環(huán)，小行星或者衛(wèi)星也可以有環(huán)。那么，什么樣的天體可能會攜帶環(huán)系統(tǒng)？行星環(huán)是如何形成的？行星環(huán)為什么能穩(wěn)定地存在，不會四處散開？這其中有哪些物理規(guī)律在起作用？希望下面的介紹能夠為你解答部分疑惑。
行星環(huán)從何而來？
上面說到，美麗的行星環(huán)細(xì)看時好像失去了美感。但實際上，在天文學(xué)家的眼中不是這樣的，你看得越清楚，就對它越著迷，他們看到的不是干癟的石頭，是美妙多變的“西施”。此外，如果你仔細(xì)地研究行星環(huán)的形成過程、運動規(guī)律，你更會被其中的物理及數(shù)學(xué)之美所震撼，越深入下去，便越體會到科學(xué)的無限趣味和理論之美。
你可能想象不到，宇宙中的星體之間，也在不停地進行著一場“無言的戰(zhàn)爭”。
它們主要的武器是萬有引力以及因運動而具有的離心力，利用引力打擊其它天體，利用引力來吸引小物體壯大自己。生物界的“大魚吃小魚、小魚吃蝦米”，在宇宙中則變成了“大星吞小星，小星吞石頭；大星撞小星，小星變石頭”。大大小小的天體在激烈的爭奪戰(zhàn)中互相碰撞、排離、破碎、吸引，達(dá)到一個我們所見到的所謂“平衡和諧”的宇宙圖景。
天體力學(xué)中用“希爾球”的概念，來描述這種短暫平衡下天體之間各自霸占的“勢力范圍”。
希爾球，以美國天文學(xué)家威廉·希爾（William Hill，1838年－1914年）命名，粗略來說，是環(huán)繞在某天體周圍、能夠被它所控制的（近似球形）空間區(qū)域，如圖6a所示。
以太陽系為例，太陽因其最大的質(zhì)量有一個大大的希爾球，所有繞日旋轉(zhuǎn)的行星軌道都應(yīng)該在太陽的希爾球以內(nèi)。每一個行星也有它自己的引力場范圍，是它的引力與太陽的引力抗衡所爭奪而得的“地盤”。比如說，地球能夠保持月亮作為它的衛(wèi)星，而不是太陽的衛(wèi)星，月亮一定是在地球的希爾球以內(nèi)。圖6a中的實線代表引力等勢面，因此，圍繞每個星體的完整圓圈（實際上是3維空間中的球面）基本代表了該天體的引力場所及的范圍。
圖6：希爾球
不難直觀理解，每個行星希爾球的大小與行星及恒星（太陽）的相對質(zhì)量有關(guān)，行星質(zhì)量越大，它搶到的地盤（希爾球）當(dāng)然越大。
此外，離太陽的距離也是一個重要的因素。距離太陽越遠(yuǎn)的行星，太陽對它難以控制，它便趁機擴大勢力范圍，網(wǎng)羅了眾多的衛(wèi)星，組織大家族搞獨立王國。
圖6b表示的是八大行星的希爾球半徑，由圖可見，4個外圍大行星的希爾球半徑比里面4個的大了2-3個數(shù)量級。然后，根據(jù)下面列舉的事實：木星和土星的（天然）衛(wèi)星數(shù)目都在60個以上，地球卻只有一個孤零零的月亮；內(nèi)圈行星沒有環(huán)，外圈4大行星都帶環(huán)。應(yīng)用剛才介紹的希爾球概念，相信你已經(jīng)不難給這些現(xiàn)象一個簡單的物理解釋。
希爾球有時也被稱為洛希球，因為在這方面的最早工作來自于法國天文學(xué)家艾伯特·洛希（Albert Roche，1820年-1883年）。
洛希的另一個著名工作是洛希極限，這個極限值與行星環(huán)的形成過程直接有關(guān)。
在之前的文章中曾經(jīng)介紹過潮汐力，指的是天體對其附近物體的不同部分產(chǎn)生的引力大小不同而對該物體造成的某種影響。比如說，月亮對地球的潮汐效應(yīng)表現(xiàn)為海洋的漲潮落潮；地球?qū)υ铝恋某毕t將月亮的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)周期鎖定，使得總以同一面對著地球。有關(guān)黑洞的科普或科幻讀物則會經(jīng)常提到：黑洞附近強大的潮汐力會將掉入其中的愛麗絲撕得粉碎。
即使不是黑洞，巨大天體附近的物體如果靠天體太近，也會因為潮汐力而分崩離析成更小的部分。什么距離算是“太近”呢？這個距離界限就叫做“洛希極限”。
圖7：用洛希極限解釋行星環(huán)的形成過程
洛希描述了一種計算物體（衛(wèi)星）被潮汐力扯碎的極限距離的方法，如果衛(wèi)星與行星的距離小于洛希極限，便不能靠自身的引力保持原有的形狀，會因潮汐力而瓦解。洛希的理論可以用來粗略地解釋土星的行星環(huán)是如何形成的，見圖7。
洛希極限值除了與行星及衛(wèi)星的質(zhì)量有關(guān)外，還與構(gòu)成衛(wèi)星的物質(zhì)材料，比如說：是固態(tài)物質(zhì)為主還是液態(tài)物質(zhì)為主，以及具體的密度分布等因素有關(guān)。這些因素也決定了環(huán)內(nèi)“碎片”物體的大小。對一般常見的固態(tài)衛(wèi)星而言，洛希極限大約是行星半徑的2.5倍到3倍左右。
因此，大多數(shù)的行星環(huán)都在洛希極限以內(nèi)，但并非絕對的，還與行星環(huán)形成的歷史過程有關(guān)。比如，從圖3中標(biāo)志的洛希極限的位置，土星的G環(huán)和E環(huán)都在洛希極限圈之外。
行星環(huán)為什么能穩(wěn)定？
洛希極限說明，在一定的條件下，衛(wèi)星將崩潰成碎片從而有可能形成行星環(huán)。然而，形成了行星環(huán)之后，盡管環(huán)中的碎片和冰塊互相不停地碰撞，但是整個環(huán)卻能夠基本保持一個穩(wěn)定的形狀圍繞行星旋轉(zhuǎn)，為什么這些碎片不四處散開而能夠長年累月地聚集在環(huán)中呢？
這個問題可能很復(fù)雜，有可能對不同的環(huán)有不同的答案。在對土星環(huán)的研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一個很奇特的現(xiàn)象：環(huán)的穩(wěn)定性與附近某個（或兩個）衛(wèi)星的運動緊密聯(lián)系、息息相關(guān)。
換言之，行星環(huán)看起來“穩(wěn)定”的形態(tài)是與離它不遠(yuǎn)的某些衛(wèi)星的運動有關(guān)的。天文學(xué)家將此類衛(wèi)星叫做“守護衛(wèi)星”，或“牧羊衛(wèi)星”。它們充當(dāng)著“環(huán)場指揮”的角色，像是放牧?xí)r奔跑于羊群周圍負(fù)責(zé)警衛(wèi)的牧羊犬，又像是帶領(lǐng)一群孩子到野外郊游時維持次序避免小孩丟失的幼兒園老師。當(dāng)環(huán)中某個“不守規(guī)矩”的物體企圖沖到“環(huán)”外時，“牧羊衛(wèi)星”可以利用自身的、相對而言較大的引力，將這個“頑皮分子”拉回到隊伍中！
“牧羊衛(wèi)星”一般是行星衛(wèi)星中較小偏中等的。這也是天體間“引力競爭”的結(jié)果。更大的衛(wèi)星不屑于“牧羊”，自己獨成一體；太小的衛(wèi)星，引力不足以管理別人，有時還被環(huán)中的物體偷襲一下，撞擊出的更小碎片往往反過來成為環(huán)中物質(zhì)的來源。不過，土衛(wèi)二是個反例，它的質(zhì)量足夠大，卻是E環(huán)的物質(zhì)來源。
土星環(huán)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)現(xiàn)的“牧羊衛(wèi)星” 已經(jīng)有好些個。舉土星那條細(xì)細(xì)的F環(huán)為例，在它的內(nèi)圈和外圈，分別有兩顆守護（牧羊）衛(wèi)星：普羅米修斯（土衛(wèi)十六）和潘朵拉（土衛(wèi)十七），見圖8和圖9。
圖8：牧羊衛(wèi)星
普羅米修斯的直徑只有86公里左右，在F環(huán)的內(nèi)圈，公轉(zhuǎn)的速度（周期0.61天）比外圈大小相仿的潘朵拉（100公里，周期0.63天）更快。而F環(huán)內(nèi)物體的速度則介于兩顆守護衛(wèi)星的速度之間。
行星環(huán)中的物體（粒子）經(jīng)常會互相碰撞，比如像比較密集的土星B環(huán)，環(huán)繞土星一圈的過程中應(yīng)該要撞上好幾回，能量和角動量都因為這些碰撞而散失和重新分配。F環(huán)雖然更稀疏，也免不了碰撞。
其中的具體力學(xué)過程很復(fù)雜，但因為內(nèi)圈的粒子跑得比外圈的要更快，碰撞的結(jié)果會降低內(nèi)圈粒子的速度使它沒有足夠的離心力維持原有的軌道而企圖墜入行星，反之，外圈因得到能量而企圖逃逸行星。看起來，總的效果將會使得原來的環(huán)向內(nèi)外散開。不過，粒子互相散開需要時間，不是立即就發(fā)生的過程，當(dāng)它們還來不及散開的時候，牧羊衛(wèi)星過來了，它們的引力比較起環(huán)內(nèi)粒子的引力來說，要大很多。如圖8所示，內(nèi)沿的普羅米修斯將內(nèi)圈要墜毀的粒子拉住，向行星之外推，潘朵拉的引力則將外圈想逃逸的粒子抓回來，總的便達(dá)到了守護羊群避免散失的效果。
奇怪的是，牧羊衛(wèi)星對環(huán)中粒子的引力所產(chǎn)生的影響有點類似某種“排斥”：將軌道比它更“內(nèi)”的粒子向內(nèi)推，將軌道比它更“外”的粒子向外推，都是推向衛(wèi)星自己的軌道的反方向。
由上所述，普羅米修斯和潘朵拉“一內(nèi)一外”守護著F環(huán)中的“羊群”，還有另一個有趣的衛(wèi)星“潘”（pan，土衛(wèi)十八），則守衛(wèi)著一條縫（恩克縫），見圖9b。
潘的直徑只有20公里，公轉(zhuǎn)周期0.58天。就動力學(xué)原理而言，守護“縫”與守護“環(huán)”的道理是類似的，不必在此贅述。也就是將內(nèi)環(huán)（或外環(huán)）的粒子向自己軌道的反方向推，因而便“清掃”出了一條縫來，使得恩克縫的寬度維持在300公里左右。
圖9：普羅米修斯和潘朵拉守護F環(huán)， “潘”守衛(wèi)恩克縫
我們對行星環(huán)的物理機制仍然知之甚少，有待進一步的觀測數(shù)據(jù)和理論模型。
例如，卡西尼號發(fā)回的最新資料，與剛才的說法就有點不同，對F環(huán)而言，起著守護作用的似乎主要是普羅米修斯，沒有看出很多潘朵拉對F環(huán)的影響。普羅米修斯的運動不僅警衛(wèi)F環(huán)中的粒子，還改變F環(huán)的形狀，見圖10。普羅米修斯也并不是規(guī)規(guī)矩矩地只在F環(huán)以內(nèi)自己的軌道上運轉(zhuǎn)，有時還穿到F環(huán)的粒子中間去“忽悠”一會兒，是個十分有趣的“牧羊犬”。
圖10：普羅米修斯對F環(huán)的扭曲（卡西尼號）
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