土星环的组成

土星环实际上可以分成几个不同的部分。最亮最宽的环是环A和环B,较暗的环是环C..光环各部分之间有明显的裂缝,A环和B环之间的卡西尼裂缝是最大的裂缝,是乔凡尼·卡西尼在1657年发现的。A环中的恩克缝是由约翰·恩克1837发现的。通过航天器的探测,人们还发现,更宽的光环其实是由许多狭窄的小环组成的。

A环是外层最大最亮的环,其内边界是卡西尼缝,而其清晰的外边界非常接近小卫星图集的轨道。A型环从外缘开始,在环宽的22%处被科恩周长打断。在距离外缘宽度的2%处有一条狭窄的基勒环缝。

环A的厚度估计为10米到30米,质量为6.2× 10 18公斤(约为贾佩利的质量),光学深度在0.4到1.0之间变化。

与B环类似,A环的外缘也是靠轨道共振维持的,与Janus和Abimysius有7:6的轨道共振。其他轨道共振也在A环激发出许多螺旋密度波(在较小程度上,其他环也有),占据了大部分结构。这些波和描述星系旋臂波的物理学是一样的。螺旋弯曲波,也出现在A型环中,并由相同的理论描述,是环中的垂直凹槽,而不是压缩波。

科恩环缝科恩环缝是环A中一个宽度为325公里的缝隙,其中心与土星中心的距离为133590公里,是由环中运行的小卫星Pan造成的。来自卡西尼号飞船的图像显示,在这个间隙中至少存在三个薄而纠结的环。两边都可以看到螺旋密度波,这是从外面与附近卫星的轨道共振造成的,这些螺旋在环内的盘的引导下特别有能量(参考图集)。

这枚戒指是詹姆斯·爱德华·基勒在1888年发现的。约翰·恩克本人并没有观察到这个环缝,但它是用来纪念他对环的观察。

因为它完全在A环内部,所以科恩环的接缝是一个缺口。在2008年国际天文学联合会解释这一点之前,间隙和分裂在意义上有些模糊,在此之前,科恩的环缝有时被称为科恩裂缝。

基勒环缝基勒环缝是一个宽42公里的缺口,位于距离A环外缘约250公里处。它以天文学家詹姆士·爱德华·基勒的名字命名。2005年5月1日,在缺口处发现了一颗小卫星Daphne,它清理了这片区域,这颗卫星也在缺口边缘引起了涟漪。

小卫星2006年,在卡西尼号拍摄的A环图像中发现了4颗小卫星(见图集)。这些小卫星的直径只有几百米,因为它们太小了,无法直接看到。卡西尼号是在看到这些小卫星像螺旋桨一样引起长达几公里的湍流后才发现这些小卫星的。据估计,A环中有数百个这样的小天体..2007年发现了8个以上的小天体,它们制造了一个长达3000公里的湍流带,距离土星中心约130000公里。已经探测到超过150个推进器卫星。b环是所有环中最大、最亮、最重的。它的厚度估计为5 ~ 15米,质量为2.8 × 10千克,光深从0.4到2.5不等,也就是说近99%穿过B环的光会被阻挡。B环的密度和光度的许多变化几乎没有得到合理的解释。b环是同心圆。虽然有许多狭窄的小环,但B环不包含任何间隙。

辐条在1980之前,土星环的结构完全用引力来解释,直到导航仪的图像显示B环上有被称为辐条的放射状特征,无法解释。因为根据轨道力学,它们的持续时间和自转周期与环不一致。这些辐条在背景散射光下显得较暗,在前景散射光下显得较亮。主流理论认为它们是微小的尘埃颗粒,通过主环上的静电斥力悬浮在环平面上,因此它们的旋转与土星的磁层同步。然而,辐条的确切机制仍不清楚,尽管有人提出这些电子干扰可能来自土星大气层释放的闪电或流星体对土星环的撞击。

直到25年后,卡西尼号飞船才再次观测到辐条。当卡西尼号在2004年初抵达土星时,没有看到辐条。一些科学家推测,根据他们试图描述辐条形成的模型,辐条要到2007年才能看到。然而,卡西尼号的成像团队在2005年9月5日搜索了土星环的保留图像,并看到了辐条。

辐条的出现似乎有季节变化,在土星的仲夏或盛夏消失,在土星接近春分时重新出现。有人提出辐条可能是季节作用。随着土星轨道29.7年的变化,也支持了辐条在未来几年卡西尼任务中会逐渐增多。c型环是B型环里面的一个又宽又暗的环。它是由威廉和乔治·邦德在1850年发现的,但威廉·r·道斯和约翰·加勒也独立地看到了它。威廉·罗素称它为黑环,因为它比明亮的A环和B环更暗。

据估计,它的垂直厚度只有5米,质量约为1.1 × 10千克,光深从0.05到0.12不等。也就是说只有5%到12%垂直穿过圆环的光线会被圆环阻挡,所以从上面或者下面看几乎都是透明的。

科伦坡接缝和泰坦小环

科伦坡接缝位于C形环的内侧。缝中有一个明亮狭窄的科伦坡小环,其中心距离土星中心77 883公里。这个戒指有点椭圆,而不是正圆。这个小环有时被称为土卫六的小环,因为它受到土卫六轨道共振的约束。在环的这个位置,环上粒子拱点的岁差周期正好与土卫六的轨道周期相同,所以这个偏心小环的最外尾端始终指向土卫六。

Maxwell sews Maxwell sews在C环的外侧,也有密集但不圆的Maxwell小环。这个小环在很多细节上与天王星的ε环相似。这两个环之间存在波状结构,天王星ε环中的波是由Cardoria引起的,但截至2008年7月,还没有在麦克斯韦间隙或其附近发现卫星。土星环又亮又宽又薄。土星环延伸到土星外部的广阔空间。土星最外圈距离土星中心10~15土星半径,土星光环宽20万公里,可以在光环表面并排排列十多个地球。如果你在上面滚一个地球,它会像一个球在人行道上滚动。主要的土星环宽度从48公里到302,000公里不等,以英文字母表的前七个字母命名。土星环从近到远按发现顺序分别命名为D、C、B、A、F、G、E。土星和土星环形成于太阳系形成初期,当时太阳被宇宙尘埃和气体包围,最终形成了土星和土星环。土星环很薄。透过土星在地球上的光环,我们还可以看到光环后面那一侧闪烁的星星。土星环的厚度估计不超过150公里。所以,当光环的一面转向我们时,远离地球的人望过去,厚达150公里的土星环就像一张薄纸——光环“消失”了。每隔15年,光环就会消失。

奇怪的土星光环位于土星的赤道平面。和地球公转一样,土星的赤道面和绕太阳公转的轨道面之间也有一个夹角。这个27度的倾角造成了土星光环的变化。我们会“仰望”土星环一会儿,“俯视”土星环一会儿。这时,土星环就像一顶漂亮的宽边草帽。在其他时候,它看起来像一个扁平的圆盘,或者突然消失。这是因为我们处在“平视”光环中,即使最好的望远镜也找不到它的“踪迹”。1950~1951年,1995~1996年,土星环都是缺失年。土星环里还藏着一个光点,就是我们的地球。不过,说土星环是由卫星演化而来,可能也不会错。通过2007年卡西尼号传回的数据,科学家们已经找到了足够的证据,在土星-G环的至少一个环中验证了这一理论。G环位于土星环的外侧。1979年,旅行者号在飞越土星时意外发现了这个环。环的附近是土卫六,距离G环只有15千公里,但G环并没有被土卫六分解成尘埃云。借助卡西尼号发回的数据,科学家发现G环内部有一个明亮的弧形结构,由直径数十米的岩石组成。就是这些岩石经过不断的碰撞,分解成G环的一部分。科学家解释说,G环中曾经有一颗卫星,但由于某种原因,它解体并演变成了一个环,卡西尼号恰好看到了这一演变的最后一幕。

与G环相邻的F环也是科学家非常感兴趣的一个光环。这个戒指的奇怪之处在于,它经常改变形状,把自己变成扭结的形状。科学家推测,F环中可能存在未被发现的小卫星,当它们穿过这个环时,会对环的形状产生影响。2008年6月,科学家在《自然》杂志上发表了他们对这个环的最新研究成果。他们说,F环中确实存在这样的小卫星,这个环也受到了分别位于F环内外的土卫六十六和土卫七的影响。它们的共同作用会束缚和挤压F环,使其错开。泰坦也沿着椭圆轨道穿过F环。它每次行进都会在F环上拖出一个凹槽,由此产生的重力会使F环弯曲拉伸,从而扭曲成螺旋状。科学家表示,对F环的研究意义重大,有助于我们理解其他气体巨星的环的行为。这种环与卫星的复杂相互作用将成为我们了解行星环的重要基础。

与F环相比,土星的A环和B环更吸引科学家的注意。科学家们频繁地在A环中发现新的块体,其中大部分直径约为100米,数量已达数十个。这让科学家们意识到,土星周围有很多这样的小卫星,可能以百万计,而A环中的土卫六和土卫五只是最大的一颗,这说明除了更大的卫星和更小的粒子,土星环中的这种“中等大小”的物质也非常重要。这一发现将有助于人们重新认识土星环乃至整个太阳系的形成理论。A环和B环之间只有一条“缝”,这条“缝”就是卡西尼缝。穿过卡西尼缝的是一个宽阔的B环。B环上最大的谜团是它上面的辐射条纹。它们是一些由静电引起的尘埃云,是在20世纪80年代发现的。然而,直到现在,对他们的解释仍然众说纷纭。一种解释是它们是由土星上的雷暴和闪电引起的,另一种解释则归因于陨石的碰撞或太阳风粒子的冲击。科学家发现,这些条纹的亮度似乎会随着土星季节的变化而变化,这在土星的春季和秋季最为明显。八月,土星会走得太远。届时,从事卡西尼任务的科学家将仔细观察B环,或许在不久的将来B环上的辐射条纹之谜将得到更合理的解释。