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土星光环变“暗”了?别担心,它依然存在

2025-01-26 11:06 作者: 曾衡 段跃初 来源: 科普中国 0 次阅读

在浩瀚宇宙的舞台上,土星的光环无疑是最为引人注目的天体景观之一。它们就像宇宙精心打造的璀璨饰品,围绕着土星,散发着神秘而迷人的气息。然而,你是否知道,这些壮丽的光环有时会从我们的视野中悄然消失?

2025年1月23日,从地球上观测,土星的光环将呈现出近乎边缘的状态,几乎难以察觉。当我最近在西南夜空璀璨的金星附近欣赏土星时,就注意到了它的异样。与金星相比,任何靠近它的天体都会显得黯淡无光金星的亮度极高,常常被误认为是飞机或不明飞行物,而此时的土星看起来格外暗淡。这不仅是因为它几乎位于太阳的另一侧,距离地球达到了最大距离,因而比平常稍暗,更重要的是,土星那耀眼的光环正在从我们的视角中消失。平常宽阔的光环如今显得异常纤细,几乎就像一条横跨行星的线。没有了无数反光的冰粒增添土星的光彩,这颗行星的亮度还不到其他时候的一半。

但请放心,土星壮丽的光环依然存在。它们几乎不可见有两个原因:其一,光环的扁平程度超乎想象;其二,我们的观测角度受到土星和地球各自轨道运动的影响。土星的光环不仅是这颗行星最显著的特征,也可以说是整个太阳系中最为壮观的结构。主光环直径约28万公里,如果将它们置于地球和月球之间,它们将覆盖超过三分之二的距离尽管光环如此巨大,但在土星距离地球超过10亿公里的情况下,肉眼几乎无法看到它们。不过,人类一旦开始用望远镜扫描天空,光环就被发现了,尽管它们的真实结构在当时仍然是个谜。

17世纪初,伽利略通过他简陋的望远镜看到了土星的光环,但由于分辨率不足,无法看清其真实形状,他将其称为土星的“耳朵”。几十年后,荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯意识到,这颗行星被一个“不接触它任何地方”的环所环绕,正如他在《土星系统》一书中所写。著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,他确定了支撑现代科技文明的电磁学方程,是第一个证明这样的环不可能是固体的人,否则它会被撕裂。环的内边缘围绕土星旋转的速度比外边缘快得多,会将其粉碎。由此可知,土星的光环必定是由小块物质组成,这些物质太小,地球上的任何望远镜都无法看到。更现代的观测表明,这些小块几乎是纯净的水冰,这就是它们如此明亮的原因,因为冰是阳光的优良反射体。现代研究还表明,这些小块大多比普通汽车还小,数量可能多达千万亿。

关于光环的形成,目前普遍认为,它可能是由于土星的一颗冰质卫星受到一个来袭物体的猛烈撞击而形成,这个来袭物体甚至可能是另一颗卫星。有趣的是,目前还不清楚这一事件发生的时间。2023年发表在《伊卡洛斯》杂志上的一项研究,通过观察原本闪亮的光环上暗微陨石尘埃的积累速度,发现从宇宙角度来看,光环非常年轻,年龄仅在1亿到4亿年之间。然而,2024年底发表在《自然·地球科学》杂志上的研究却发现,这种尘埃的“污染”速度并不像之前认为的那么快。高速微陨石碰撞会使环粒子电离,赋予它们电荷,这使得它们容易受到土星强大磁场的影响,进而将物质吸引走,减缓了光环变暗的速度,这意味着光环可能要古老得多。

即便在光环被发现后的几个世纪后的今天,它们仍然存在许多未解之谜。不过,关于它们在最初碰撞后如何形成,我们已经有了相对清晰的认识,这也解释了它们为何如此扁平,尽管其年龄仍然是个谜。由于土星卫星及其撞击体的轨道运动,碎片最初可能形成了一条长长的流,其中大部分可能沿着该卫星的轨道运动方向分布。土星的其他卫星在其赤道上方运行,所以这颗卫星的物质最终也可能形成类似的结构。此外,由于土星并非完美球体,而是因其快速的10.5小时自转周期在赤道处隆起,行星加厚的中部会将碎片扭转到赤道正上方的轨道上,这就是为什么产生光环的撞击会形成一个扁平的圆盘。

这里所说的扁平,是超乎想象的扁平。尽管光环直径达数十万公里,但它们极其薄,垂直方向最多跨越一公里。在某些地方,光环只有10米高,相当于三层楼的高度。尽管光环无比巨大,但如果将它们和土星本身缩小到直径28厘米(11英寸),也就是一张标准纸张的长度,光环的厚度将比纸张薄100倍!最后,与土星大卫星的引力相互作用,使这些环粒子进入略有不同的轨道。随着时间的推移,它们形成了数千个单独的环,以及其间的一些空隙。所以从上方看,光环令人惊叹不已;但从侧面看,它们薄如剃刀,极难被观测到。

这就是我们现在所处的情况。和地球一样,土星的自转轴倾角很大,与所有主要行星公转的黄道面夹角超过26度(地球的倾角为23度)。这意味着在土星的北半球夏季,它的北极向太阳倾斜。从比土星更靠近太阳的地球看过去,我们是“向下”看光环,可以看到它们的全貌。土星的公转周期约为30年,所以在土星一年的大部分时间里,我们都能清楚地看到光环。然而,在土星的春分和秋分时,从地球上看光环更接近边缘,实际上从太阳上看,光环是完全呈边缘状态的。但由于土星绕太阳的轨道相对于地球的轨道有轻微的倾斜,只有当地球也穿过光环平面时,我们才能在土星的分点看到光环恰好呈边缘状态。这种情况在分点附近可能发生两次,地球先“向上”穿过平面,大约六个月后再“向下”穿过,这实际上使土星的光环从我们的视野中消失。

而2025年5月将迎来土星的秋分。3月23日,我们的地球将穿过光环平面,届时,光环将达到消失的顶点,然后再慢慢重新进入我们的视野。但需要注意的是,在3月的那个日期,土星在天空中距离太阳只有10度,这使得观测变得非常困难,时机实在不佳!虽然土星将在11月中旬再次穿过地球的轨道平面,但到那时,土星的自转轴倾角将使光环从我们的视角稍微倾斜,所以我们只能看到它们非常接近边缘的状态。好消息是,11月土星在日落后很容易在南方天空中观测到,并且通过望远镜仍然几乎看不到光环。大家可以查看一下附近是否有天文台或天文学会举办观测活动!

初审:黄臻

复审:马林虹

终审:袁志宏

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