變幻莫測的土星環
很多人都會幻想如果有時間機器的話會做什麼，有些人想穿越到一億年前恐龍統治地球的時候，也有些為數不多的人，可能會想帶著望遠鏡回到過去，看看土星和土星環。
然而這些穿越回到過去的人並不一定能見到土星環，這些環到底是46億年前太陽系誕生時就存在的呢，還是後來才出現的？抑或是希克蘇魯伯小行星撞擊地球使恐龍滅絕之後才出現的？
土星及其行星環，圖片來源：NASA
本文原作者瓦赫·布魯曼是一名空間科學家，對物理和天文教學頗有熱情，對土星環也十分感興趣，因為土星環代表了人類打開視野去探索太陽系和宇宙的故事。
從人類的角度觀察土星環
當伽利略在1610年首次通過望遠鏡觀察土星時，他已經因為發現木星的四個衛星而聞名於世，但土星卻使他感到困惑。通過望遠鏡仔細觀察時，有時它看起來像一個行星帶著兩個巨大的衛星，有時又像一個單獨的沒有衛星的行星。1616年他用新的望遠鏡觀察時，發現這看上去像一個帶有“手臂”或者“把手”的行星。
四十年之後，克裏斯蒂安·惠更斯首先提出土星是一個帶環的行星，認為伽利略當時看到的是不同角度的土星環。因為土星的自轉軸與它自身的公轉平面有27度的夾角，土星環每29年（土星公轉周期）周期性地朝地球傾斜或者背向地球，從地球的視角看來，土星環的形狀一直在變。
但土星環是由什麼組成的呢？它們是固體圓盤嗎？還是較小的顆粒組成？隨著人們能看清環的更多結構，他們發現環之間也存在縫隙。當土星環圍繞土星的運動被觀測到時，天文學家意識到環並不是一整個固體，它們也許是由大量的微型衛星或小衛星組成。對環的厚度的估計，也從1789年威廉·赫歇爾爵士估計的300英裏變成了1966年奧杜因·道爾夫斯更精確的估計，即少於2英裏。
B環中心內側的結構，距土星中心約10萬千米。圖源：NASA
先驅者11號和兩個旅行者號飛船使天文學家對土星環的了解發生了巨大的變化。旅行者號那張著名的背向太陽光拍攝的照片（下圖）第一次拍到了由無數小碎片組成的A環，B環和C環。
旅行者2號排到的土星環，來源：穀歌
探測土星的卡西尼號繞土星超過10年，給科學家提供了更加壯觀驚人的圖像。土星各個環的寬度在幾百公裏到幾千公裏之間，厚度在幾米到數十米之間，99.8%是由大小不等的冰塊組成，總質量約有16千萬億噸，比月球質量的0.02%還要小（也比土衛一質量的一半要小）。這使科學家推測土星環有可能是土星的一個衛星解體之後形成的，或者土星捕獲了一顆靠近的彗星，然後彗星解體形成了環。
動態的環
在望遠鏡發明後的400年間，人們發現土星，天王星和海王星這些巨行星也有環，而地球和其他岩石行星則沒有。1849年，法國天文學家和數學家愛德華·洛希首先對這一現象做出了解釋。
衛星和它自己的行星之間互相有引力作用。月球對地球有吸引力，引起了海洋的潮汐現象。潮汐力同樣會影響衛星，如果衛星離行星太近，潮汐力的撕扯就會大於衛星用來保持自身的引力，從而撕裂衛星。因此衛星就碎裂成了小塊，散布在原先的軌道上，形成了一個行星環。
天體洛希極限示意圖，如果一個小天體（右側）離中心天體（左側）太近，在其洛希極限（白線所示）之內，由於中心天體的潮汐力作用，小天體會嚴重形變並開始解體。圖源：wikipedia
洛希極限是指衛星能夠保持不被潮汐力撕裂的情況下離行星質心的最近距離，從行星中心算起，約為行星半徑的2.5倍。對土星來說，洛希極限是距離它大氣層頂端87000千米的地方，與土星外F環離土星的距離相同。對地球來說，洛希極限在距離地表不到10000千米處。如果一個小行星或者彗星離地球太近，就會被潮汐力撕碎，形成一個圍繞地球的行星環。月球在38萬千米之外，這是一個十分安全的距離，不會被潮汐力撕碎。
行星環都很薄，是因為它們在不時地改變。如果環中的一塊碎片相對於這個環中的其他碎片有一定的軌道傾角，它就會與其他碎片相撞並損失能量，最終落回到環的軌道平面上來。經過上百萬年，所有有不同軌道傾角的碎片都會落到同一軌道平面，讓環變成現在看到的那麼薄。
卡西尼號探測器在任務的最後一年，重複進入了土星雲層和內環之間7000千米的縫隙之中。這項前所未有的觀測幫助人們弄清楚了一件事：環是一直在變化的。環裏的碎片不斷地互相碰撞，有些也落到了土星表面。
卡西尼號飛入土星與最內層的環之間，圖片來源：NASA
土星的衛星土衛十八、土衛三十五、土衛十五、土衛十七和土衛十六（直徑在8千米到100千米之間），引導著土星環的碎片，讓它們都保持在軌道上。這些衛星在環中間的運動造成了密度波，它們也與環本身碰撞，改變了環的形狀。環中的一些碎片結合起來又形成了小型的衛星，這些都說明環是在不斷變化的。每秒鐘平均有40噸的冰從土星環落入土星大氣層中，環的質量在不斷減小，這說明土星環可能只能存在數億年。
土星環以及幾個在環之間的衛星（圖中白點），從上到下依次是土衛十五，土衛十一，土衛十七，土衛三十五，以及土衛十八。圖源：sci-news
如果有穿越到一億年前的天文學家，他能看到土星環嗎？環年齡的一個指標是塵埃含量，塵埃彌漫在整個太陽系中，長期暴露在塵埃中的物體會被灰塵覆蓋，變得越來越暗。
土星環現在看起來很明亮，塵埃含量不高。如果天文學家對冰與塵埃的結合方式理解正確的話，似乎說明這些環是在一億年前到一千萬年前形成的。可以確定的是，即使回到一億年前的天文學家能看到土星環，它們看起來也會跟現在非常不同。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. xeno- Vahe Peroomian
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