许多人幻想着如果他们拥有时光机,会选择回到恐龙漫游地球的一亿年前,然而,却很少有人会想到,像这样带上望远镜去观察土星和土星环。

为什么神秘的土星环在不断变化?

天文学家是否能够观测到土星环仍然存在着争议。这些环是以某种形式存在于46亿年前太阳系形成之初,还是最近才出现的呢?或是在奇克苏鲁布小行星撞击导致恐龙灭绝的年代,这些土星环是否已经形成了呢?

我是一名空间科学家,热爱教授物理和天文学,土星环一直让我着迷,因为它们,人类从混沌中睁开了双眼,惊叹于宇宙和太阳系的奇迹。

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关于土星演化的观点

1610年,当伽利略透过望远镜第一次观察到土星时,他已经因为发现了四颗木星卫星而名声大噪了。然而这颗行星却让他困惑不解。他通过望远镜持续观察着这颗行星。起初他认为这是一颗行星,拥有两个非常大的卫星,后来他又认为这是一颗没有卫星的行星。在1616年,伽利略通过新的望远镜进行观察,认为这是一颗拥有着“手臂”或者“手柄”的行星。

四十年后,克里斯蒂安·惠更斯首次提出了土星是一颗环状行星的说法,而伽利略看到的则是不同视角下的土星。因为土星的自转轴相对于其轨道平面的倾斜角度为27度,其公转周期为29个地球年,随着它的公转,土星环时而靠近地球时而远离地球,所以人们在不同视角下会看到不同形状的土星环。

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那么土星环是由什么组成的呢?它是否是某些人认为的固态连续实体盘,还是由一些更小的粒子组成的呢?随着土星环中的结构越来越明显、人们发现了越来越多的缝隙以及土星运动的规律逐渐被了解,天文学家们意识到这些环并不是所谓的固态连续实体盘,而可能是由大量的小行星组成的。与此同时,人们对土星环厚度的估计, 从1789年威廉·赫歇尔爵士估测的300英里到1966年奥杜因·多尔夫斯的不到两英里。

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旅行者2号 土星的B环和C环在假色的图像下可以看到许多小环

卡西尼号承担着探索土星的任务,环绕着土星飞行了十多年,行星科学家们由此看到了更壮观、令人叹为观止的景色。土星环厚10米至1000米。在土星环粒子的组成中,冰占总质量的99.8%,其中大部分小于1米,约为16万亿吨,不到地球卫星质量的0.02%,甚至不到土星的卫星米玛斯质量的一半。由此一些科学家推测,这些环是众多土卫其中一颗分裂的结果,还是流浪的彗星。

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动态环

自望远镜发明的400年以来,科学家们在木星、天王星和海王星的周围也发现了环。海王星是太阳系的巨型行星。1849年,法国天文学家Eduard Roche(爱德华·罗奇)首次提出了巨型行星存在光环而地球及其他类地行星没有光环的原因。

卫星和行星总是在引力下共舞。月亮通过天体引力吸引地球的反面而引起了海洋潮汐,而潮汐力也会影响到行星和卫星。如果卫星离行星过近,这些力量可以克服将卫星凝聚在一起的“引力胶水”,并将其撕开。这会导致卫星分裂并沿着其原始轨道扩散,形成一个环。

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洛希极限是卫星轨道的最低安全距离,大约是行星中心半径的2.5倍。对于巨大的土星来说,这是距离其云顶87000公里,与土星外F环相一致的位置。对于地球来说,这是距离地球表面不到10000公里的位置。而小行星或彗星必须冒险,非常接近地球,才能被潮汐力撕裂从而形成围绕地球的环。地球的卫星在距地球38万公里之外,非常安全。

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美国宇航局的卡西尼号太空船将在土星及其最深处的环之间进行潜入,这是这次飞行任务的一部分。

行星环的稀薄是由它们不断变化的性质造成的。其轨道相对于环其余部分倾斜的环粒子最终将与其它环粒子碰撞,这么做,它们将失去能量,附着在环的平面上。数百万年来,这些粒子要么脱落,要么与其它粒子紧密排列形成了如今人们所观察到的十分薄的土星环系统。

在执行任务的最后一年,卡西尼号飞船反复潜入土星云和内环之间7000千米的缝隙中。这些前所未有的观察结果明确了一个事实:环是不断变化的。环中的单个粒子不断相互推挤,并在土星上稳定地降落。

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牧羊卫星:潘、达普尼斯、阿特拉斯、潘多拉和普罗米修斯测量范围在8到130千米之间,相当实际地引导了环粒子,使它们保持在当前的轨道上。密度波,由牧羊卫星在环内的运动引起,推挤和重塑着土星环。小卫星是由凝聚在一起的环状粒子形成的。所有的这些表明环是暂时的。每秒钟有多达40吨的冰从土星环下落到大气中。这意味着这些环可能指持续几千万到数亿年。

一个进行时空旅行的天文学家能在一亿年前见过土星环吗?估计土星环年龄的一个指标是环上的灰尘。因为物体长时间暴露在太阳系的尘埃下,会积越来越多的灰和慢慢变暗。

土星环十分明亮,几乎没有尘埃,似乎表明它们形成于1000万到1亿年前的任何地方,前提是天文学家对冰粒如何聚集尘埃的认识是正确的。而有一件事是可以肯定的,我们的时空宇航员看到的土星环和今天的大不相同。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Vahe Peroomian-白菜

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