互动科普

如果土星和其他巨行星没有光环，宇宙将黯然失色。行星科学家正在弄清楚阴历是如何把宇宙打扮的“珠光宝气”的……

九世纪著名物理学家、电磁理论之父及热力学先驱者之一麦克斯韦的科学成果为无数发明开辟了道路，当代世界经济有很大一部分是建立在这些发明基础之上的。不过，从经济效益的角度来看，麦克斯韦所喜爱的另一项研究课题——土星的光环——便不值一提了。除了促销摆在办公桌上的玩具外，行星的光环对各国的物质财富说不上有什么显著贡献。但这并未使行星光环的魅力稍有逊色。麦克斯韦在1857年的一篇关于亚当斯奖的短文中写道：天文学中的某些问题之所以令我们倾倒，不是因为解决这些问题会给人类带来立竿见影的好处，而是因为它们十分新奇，引人入胜：我不知道土星的光环有什么实际用途，但如果我们从纯科学的观点来考察这些光环，它们就堪称宇宙中最引人注目的天体(或许除了用处更少的天体——旋漩涡星系外)。当我们亲眼看到这一巨大的光环孤悬在土星赤道上空，和土星本身没有一丁点而看得见联系时，我们的思绪难以平静。

一个半世纪过去了，土星的光环依然是宇宙的神奇莫测与不可思议的象征。观测手段的进步愈发增强了它的魅力。过去20年的一系列发现从根本上推翻了人们先前对光环的认识，揭示出一个全新的光环系统，它的复杂和精彩程度令任何传统理论与观测都黯然失色，甚至超出了人们的想象。

除土星以外，其他巨行星也有光环，而且我们找不到看起来相似的两个光环系统。即使按天文学标准来看，光环也是相当奇异的。它们的形成过程是微弱的，非直觉的。例如，在光环中，引力实际上可能起着排斥物质的作用。我们一度认为光环是静止不变的，但现在我们认识到光环其实在不停地演化。我们还发现行星的卫星与光环之间存在着至关重要的共生关系。而更重要的是，我们已经意识到行星的光环并不仅仅是一种好看的现象。同麦克斯韦一样，当代科学家发现光环与星系之间存在若干相似之处，光环甚至还有可能从根本上揭开太阳系古老起源的奥秘。

土星的光环最初是在1610年被伽利略观测到的。50年后，克里斯蒂安·惠更斯把它解释为一种绕着土星的环圈。此后二个半世纪多的时间里，光环始终是土星独有的一道风景。随后，在短短7年中，天文学家发现其他3个巨行星周围也有光环。最先发现的是天王星光环，时间是在1922年。James L．Elliot——当时在康奈尔大学——观测天王星从一颗恒星前面越过时该恒星亮度的变化，结果发现亮度呈现忽明忽暗的波动。他推测有一系列略呈椭圆形或略微倾斜的带状结构环绕着天王星（参看本刊1987年1月号Jeffrey N. Cuzzi与Larry W．Esposito所著“天王星的环”一文）。1979年，旅行者l号飞船发现木星有一些透明的光环。最后，天文学家于1984年利用类似于Elliot的方法，探测到海王星周围光环的片断(但不是整个光环)。

这段令人振奋的日子过去以后，对光环的探索进入了一个相对沉寂的时期。不过，从上世纪90年代中期开始，光环的探索又跨进了一个新的时代。天文学家通过哈勃太空望远镜、地基望远镜以及绕木星运行的伽利略空间探测器进行了大量观测（参看本刊2000年4月号Torrence V. Johnson所著“伽利略号飞往木星及其卫星的使命”一文）。1995年和1996年间，地球和土星的位置使得土星的光环系统正好以其边缘对着地球，减弱了来自土星主环的眩光，天文学家得以看见土星最暗弱的光环和卫星。2004年7月，长西尼空间探测器将开始对土星系统进行为期4年的观测。

争奇斗艳的4个光环

虽然4个已知的光环系统的细节各有千秋，但它们也具有许多共同特征。各个光环系统的结构丰富多彩，由多个同心环构成，而这些同心环之间通常由宽度不等的间隙隔开。每个环都包含了不计其数的粒子，这些粒子其实就是岩石块或冰块，彼此独立地绕着中央行星转动，同时轻微地互相推撞。根据粒子聚集的紧密程度，可以把光环分为两大类，而粒子聚集的紧密程度则可以用光学深度——衡量光在垂直穿过光环时光的指数衰减程度的一个参数——来描述。密度最大的环——如土星的主环(用A与B表示)和天王星的环（用数字和希腊字母表示）——其光学深度可以高达4，这就意味着只有2%的光能够透过这些光环。这些环中聚集最紧密的部分其粒子的直径从几厘米到几米不等。

密集光环系统中的粒子彼此频繁碰撞，常常是光环每绕行星运行一周就碰撞几次，在碰撞的过程中粒子失去能量，角动量重新分布。由于距行星较近的粒子的运动速度比外侧粒子快，因此粒子相撞的结果就是使内侧粒子的速度放慢（这样它就朝着行星落下去)，而把外侧的粒子朝前推(这样它就离开行星更远)。于是光环就沿着径向扩展开来。但是光环的扩展需要时间；在这一点上，我们可以把光环想象为一种向内向外缓慢扩散开来的粘性流体。土星的光环的有效动粘度与空气相仿。

能量的丧失再加上角动量的重新分布会使密集光环系统变扁平。无论光环系统最初是什么形状，它都会很快变成一种薄薄的近赤道圆盘状结构。虽然土星的光环延伸达数十万千米，但是它从上到下只有几十米厚；按比例来衡量，它的厚度相当于将一张卫生纸铺展成整个足球场那么大面积后的厚度。类似的效应也使恒星周围的碎石盘以及旋涡星系周围的气态盘变扁平。

紧密聚集的另一个后果是增强了粒子自身相互间的引力吸引。天王星的光环开头略微偏离圆形，其原因正在于此环的自身引力阻碍了它变成一个圆形的带状结构。已知的最暗弱光环——例如木星的光环和土星的最外侧光环——则属于另一个极端，它们的光学深度只有10-8和10-6。在这类光盘中粒子非常分散，彼此间的距离有如垒球比赛中的外野手隔得那样远。这些粒子碰撞的机会非常少，因此不会使光环最终变成扁平的圆盘状。根据这些光环对光的散射情况，我们已经知道构成光环的粒子是极细的灰尘，其大小通常为微米级，与烟尘粒子的大小相仿。因而这类结构是名符其实的烟尘环(smokering)。烟环中的粒子如此微小，以致除了引力以外，电磁力和辐射力也对它们有显著的影响，因此这些粒子具有不同寻常的动力学特性。

海王星光环不能归在这样泾渭分明的两类中，它们的光学深度介于上述两个极端之间。在其他方面海王星系统也属反常之列。它的密度最大的光环并不是平滑的带状结构，而是由若干互相孤立的弧构成，其总长度还不到周长的十分之一。如果没有某种约束机制，这些弧应该在一年左右的时间里就扩展开来形成一条完整的绕海王星的环。然而，不久前哈勃望远镜拍摄的图像以及地面观测资料都证明，这些环的位置在过去15年中几乎没有什么变化。

行星——光环的主人

所有密度较大的光环系统都聚集在接近其行星的位置上，其外侧边界不超过所谓洛希极限(Roche limit)规定的半径。(在洛希极限内，由于行星潮汐力作用的限制，光环的粒子无法聚集成更大的物体。)紧靠洛希边界外侧则是一个形状不规则的小卫星可以和光环共存的区域。光环与卫星之间的相互作用，造就了光环的许多最奇异的特性。例如土星的E环跨越一个包含土卫一、土卫二、土卫四和土卫五等卫星的广阔区域，其亮度在光滑的冰质卫星土卫二的轨道处达到最大。狭窄的F环——它由若干股起伏不平的条状结构缠结而成——则孤悬在土星的A环以外并且也穿越了土卫十七和土卫十六这两颗卫星。木星、天王星及海王星的光环系统中卫星位置与光环特性也存在着相关性。

过去20年光环研究的主要进展是阐明了卫星是如何发挥这种作用的。3种基本过程看来与卫星的作用有关。第1种是轨道共振，即引力在粒子轨道周期与星轨道周期成整数比(例如m·n)的位置上被加强的趋势例如，土星B环外缘的粒子与土卫一存在一种2：l的共振作用，也就是说，当土卫一绕土星转l圈时，这些粒子正好绕土卫一转2圈。另外一个例子则是，土星A环外侧边界的粒子与土卫十和土卫十一等卫星存在7：6的共振关系。

靠近共振位置的轨道容易发生特别大的变化，因为在这些位置上卫星的轻微拖曳作用有规律地重复出现，从而随着时间的推移逐渐积累起来。对于其轨道接近一颗卫星的粒子，共振作用较强但是当轨道过于接近星时，各种不同的共振模式便会互相竞争以求占据上风，结果是使粒子的运动趋于混沌。当m=n+l时(例如2：l或43：42时)，共振作用最强，而随着m与n相差越来越大，共振作用便迅速减弱。纵观土星为数众多的所有光环，仅在几十个位置上存在着对卫星的较强的共振作用。

这些共振摄动的结果各不相同。较强的共振作用可以把物质清除掉，从而导致土星A环和B环外缘的形成。在某些位置上共振作用能够造成空隙，这样一类共振可能就是海王星那条间断光环形成的原因。类似的共振也能揭示物质在小行星带内的分布。此时太阳起着行星的作用，而木星则起着卫星的作用。

在土星A环的其他地方，共振将产生波。如果卫星的轨道为椭圆形，那么就将产生螺旋波，酷似银河系那玩具风车般形状的缩微版。如果卫星的轨道是倾斜的，那么其结果就是一系列在垂直方向上弯曲的波形成了偏离平面的波状结构，仿佛是字宙“地毯”上的一道道皱褶。

共振作用通常涉及到卫星，但任何一种与其轨道周期成整数比的有规律地反复出现的力——例如不均匀的行星引力场或变化的电磁力——都会产生类似的效果。木星系统的这类共振作用是特别有名的。在半径l2万千米以内的地方，木星的光环迅速地从扁平的盘状膨胀成粗粗的圆环。位于这一半径轨道上的光环粒子当木星每自转2周时便绕着木星转了3圈，因此光环粒子在木星倾斜的磁场的推动下不断升高。在更靠近木星的地方，也就是半径10万千米处，木星光环的亮度突然急剧下降。这正好是2：l的电磁共振开始起作用的位置。漂移到这一位置上的粒子在电磁共振作用下扩散得极为稀薄，以致被淹没在木星的强光中。

卫星操纵光环结构的第二种基本方式就是影响光环粒子的路径。卫星与邻近光环粒子的相互作用多少同人们的直觉相矛盾。如果这两者孤悬在深空中，那么它们的密近会合无论在时间或空间上都将是对称的。粒子将会逐渐接近卫星，然后不断加速，飞快地绕过卫星，进入卫星另一侧后再逐渐减速(假定它没有撞上卫星)。粒子离去的路径是其进入路径的镜像(双曲线或抛物线)。虽然粒子的方向已改变，但它最终将回复到其初始速度。

卫星——光环的监护人

然而，在光环系统中，卫星和粒子不是孤立的，它们都在各自的轨道上绕着第3 个天体( 即母行星) 旋转。 距行星更近者的旋转速度更快。如果更快的是粒子，在粒子与卫星密近会合的过程中，卫星的引力作用将推动粒子进入一条新的轨道。这一事件是不对称的：粒子将运动到距卫星更近的地方，而两者之间的引力作用也将更强。这样粒子将无法恢复其原先的速度，它的轨道能量和角动量都减少了。用专业术语来说就是，粒子的轨道从圆形畸变成了一个略微小一些的椭圆形，随后在光环内的碰撞又将使粒子的轨道恢复成圆形，但是比原先的网形轨道小。

这一过程的净结果就是粒子被向内推动，它损失的能量都拱手送给了卫星。不过由于卫星的质量要大得多，因此它的轨道移动的程度相应也就小得多。如果卫星和粒子的位置颠倒过来(即卫星在内而粒子在外)，那么其结果也就颠倒过来。此时粒子将会被推向外面，而卫星刚披推向里面。在这两种情况下，卫星的引力作用似乎都在排斥光环粒子。这一奇异的结果并没有违反牛顿力学定律。在两个物体绕着第3个物体作轨道运动的情况下，当它们彼此相互作用并失去能量时，便会出现这种奇异的结果(这与宇宙膨胀理论中所谓的“排斥性重力是完全不同的两回事）。

同共振一样，上述机制也可能使光环产生空隙。这些空隙将逐渐扩大、直到卫星的排斥力被粒子碰撞所产生的光环扩散趋势抵消为止。在土星的A环、C环的D环中都存在这样的空隙．而把A环和B环隔开的长西尼环缝则到处都是这样的空隙。

反过来，这一过程也可以压缩一条窄环。位于一长串物质任一侧的卫星可以起到监护这些物质的作用，把试图逃逸出去的粒子统统赶回去。1978年，Peter Goldreich与Scott D Tremaine——当时均在加州理工学院——推测这种“监护”机制能够解释天王星的细线状光环为何如此稳定这一令人百思不得其解的问题（参看本刊1982年5月号James B.Pollack与Jeffrey N．Cuzzi所著“太阳系中的环”一文）天王星的卫星天王卫六与卫七使它的环得以团聚在一起。而土星的F环的稳定性看来是由土卫十六和土卫十七保持的。诚然，大多数可见的空隙和窄环现在仍未得到解释。或许是一些小得用当前的技术无法看到的卫星在幕后操纵着它们。长西尼空间探测器可能会发现其中一部分幕后操纵者。

排斥力还有一种作用，就是使光环的边缘形成扇贝状。从卫星的优势地位来看，这些波动的形状时容易理解的。光环中的粒子连续不断地从卫星旁边经过，当这些粒子超越卫星时，卫星的引力将使它们的轨道变成大小几乎一样的椭圆形轨道。这些粒子到行星的距离不再保持恒定不变。站在卫星上观测的人将会看到这些例子开始步调一致地来回晃动，这一视运动呈正弦波形，其波长与卫星轨道到粒子的距离成正比。

如果粒子在外侧，那么这样产生的波就出现在卫星后面，而如果粒子在内侧，波就出现在卫星前面。这种情景有点像一只船在一条古怪的河流中行驶时——船的一侧河流速度比船本身的速度快——所产生的尾波。本文作者之一Showalter分析了土星的恩克环缝的扇贝状边缘，结果找到了观测人员未发现的一颗小卫星——土卫十八。另一个例子则是土星的F环，它那周期性的分布看来是由土卫十六造成的。

也有多尘的脏光环

卫星对光环还有第3种，也是最后1种作用，即喷出和吸收物质。这种作用对于暗弱的多尘光环（如木星周围的光环）是特别重要的，天文学家只是通过飞往木星的伽利略探测器才对它有了比较清醒的认识。先前的旅行者空间探测器已经发现了木星的光环以及靠近主环外缘的两颗小卫星，即木卫十五和木卫十六。但旅行者号探测器的摄像机分辨率不够高，无法告诉我们这两颗卫星实际上起着什么作用。它们是防止光环中的物质向外扩展的监护者吗？或者它们是否在为光环提供物质（这些物质一旦进入轨道，就逐渐向内漂移进入光环）？此外旅行者号探测器也无法解释主环的一个暗弱的向外延伸区，也就是伴随主环的一个薄纱般的光环。伽利略探测器的成像系统发现，在木卫五轨道以外的空间区域，这一薄纱光环迅速消失得无影无踪。它还发现另一个更暗弱的薄纱光环一直延伸到远至木卫十四的轨道上，但却到此为止。在出席了首次披露这些图片的会议后乘飞机回家的路上，本文作者之一Burns注意到了关键的证据：最内侧薄纱光环的垂直伸展范围与木卫五的轨道倾角相吻合，而外侧薄纱光环的厚度则与木卫十四的倾角完全吻合。此外，这两个薄纱光环顶部和底部边缘处的亮度最大，意味着物质在这些区域积聚起来—— 如果光环粒子和卫星具有相同的轨道倾角的话，那么这正是我们应该观测到的现象。如果我们假定光环粒子是陨石撞击术星卫星后抛射出的物质，上述密切的关系就可以得到最为顺理成章的解释。

有趣的是，小卫星应当是比大卫星更为合适的物质来源。虽然它们目标比较小，但其引力也更弱，因此可以让更多的物质逃逸出来。计算表明在木星系统中，能够最有救地供给物质的卫星其直径应为10千米到20千米左右，正好就是木卫十五与木卫十六的大小。这说明了为什么这两颗卫星产生的光环比木卫五和木卫十四产生的光环更为惊人，尽管后面两颗卫星要大得多。

土星的卫星土卫二(直径为500千米)则提供了一个奇妙的反例。土卫二看来是土星E环的物质来源E环内的粒子——而不是行星际陨石——对土卫二的猛烈碰撞，或许可以解释土卫二为何得以如此多产。每一个撞在土卫二上的粒子都能产生多个替代粒子，因此E环可能是自给自足的。在其他场合中，此类碰撞的结果通常是被卫星吸收的光环物质多于碰撞抛出的物质。

研究光环有什么用？

光环物质的来源及去向显然具有十分重要的意义，它重新提出了下面这样一个经典问题：光环究竟是古老而固定不变的景象，抑或是一群年轻的匆匆过客？前一种可能性意味着光环可以追溯到太阳系形成的时候。正如原太阳被一团扁平的气体与尘埃云所包围(据认为行星就从这团气体云中产生出来)一样，每一颗巨行星也被它自己的尘埃与气体云所包围，而它们的卫星就诞生于各自的气体云中。在接近每一颗巨行星的区域(即洛希极限以内)，潮汐力的作用使物质无法聚集成卫星，这样物质就找到另一条出路——形成光环。

另外一种可能性则是我们今天看到的光环出现的时间要晚得多。一个偶然游荡到距离巨行星太近处的天体可能被撕得粉碎，从而形成光环，或者是巨行星的某一卫星被一颗高速彗星撞得粉身碎骨，这样也可能形成光环。某颗卫星一旦四分五裂，那么它的碎片只有在位于洛希极限以外时才能重新聚集起来。即使如此，重新聚集起来的碎片也只能形成一个松散的、不堪一击的岩石堆，很容易再次土崩瓦解。

现在有若干方面的证据提示，大多数光环都是年轻的。首先，细微颗粒的寿命必定不会长。即使它们能经受住行星际微流星体和强烈的磁层等离子体的破坏而生存下来，辐射所施加的微弱的力也会使它们的轨道向内收缩。除非获得补充，暗弱光环应当在不过几千年的时间里就寿终正寝。其次，某些环卫星距离光环太近，尽管来自螺旋密度波的逆向反作用力应该很快就把它们赶开。第三，冰质环粒子应该因彗星的碎屑而变暗，但它们通常却相当明亮。再有，刚好位于土星光环外的卫星其密度都异常之低，似乎它们就是一些碎石堆。最后，某些卫星稳居于环内。如果光环就是未能聚集起来的原始物质的话，这些卫星如何会呆在光环内？最合理的解释是这些卫星仅仅是先前一颗卫星分崩离析后残存下来的最大的碎片。

因此，光环似乎并不是永久的装饰品，尽管看起来像。美国科罗拉多州Boulder西南研究所的Luke Dones提出，土星的这些精美的装饰品是一颗直径大约300-400千米的卫星土崩瓦解后的产物。不论是否所有的环都起源于这样一种暴烈的过程，我们现在知道光环的形成并不是仅仅留下来供我们欣赏的。光环处于持续不断的更新过程中。科罗拉多大学的Joshua E．Colwell和Larry W．Esposito设想，存在着物质在光环和卫星之间反复循环这样一种过程。卫星逐渐把光环粒子扫集起来，然后在猛烈碰撞的过程中又把它们抛出去。这样一种平衡可能决定了许多光环的规模。行星及其卫星在成份、历史及大小上的千差万别，自然会造成光环那引人注目的多样性。

事实上，目前正在进行的综合分析解释了为何大多数内行星没有光环：内行星缺乏一大批卫星来提供形成光环的材料。地球的卫星(月亮)太大，而且逃离月球表面的微米级尘埃通常都被太阳引力和辐射力席卷而去。火星倒是有两个微小卫星，因此它或许真的有光环但是本文作者中的两位Hamikon与Showalter去年通过哈勃望远镜进行的观测未能发现任何光环，也没有找到更小的火星卫星。如果火星光环的确存在，那么它必定极为稀薄，其光学深度在l0-8以下。

科学研究中经常有这样的事情：乍看起来全然不相干的现象可以用同样的基本原理来阐释。太阳系和其他行星系统可以看作是一些围绕恒星的巨大光环。天文学家已经发现了在其他恒星周围的尘埃盘中存在空隙和共振的迹象，而且也发现了一些表明源天体在其内轨道运行的证据。对于太阳系外许多大行星的密近椭圆轨道，最合理的解释是这类轨道是大行星与大质量盘之间的角动量传递的最终结果（参看本刊1999年12月号Renu Malhotra所著“行星的徒动”一文）。行星环不仅是引人入胜的精巧结构，它们也可能是天文学家破解行星起源之迷的罗塞塔碑。

【武晓岚／译 曾少立／校】