土星的環(huán)是太陽系絢麗的皇冠，四百年前她曾經(jīng)給伽利略帶來了困惑。近幾十年來，人類的多個(gè)探測(cè)器光臨土星，天文學(xué)家究竟是如何逐步揭開她的神秘面紗的呢？
土星環(huán)，土星，地球-月球，金星，火星（卡西尼飛船拍攝）（圖源：photojournal.jpl.nasa.gov）
撰文 | 曹浩 （哈佛大學(xué)）
編輯 | 韓越揚(yáng)
土星系統(tǒng)是太陽系中一個(gè)多姿多彩的行星系統(tǒng)（圖1）：土星上巨型風(fēng)暴與極光交相輝映；六十多顆大大小小的冰衛(wèi)星各不相同：表面有甲烷海洋的土衛(wèi)六（Titan），南極有羽流（plume）的土衛(wèi)二（Enceladus）。而土星環(huán)（封面圖，圖1）可以說是土星系統(tǒng)的標(biāo)志，常常被稱為太陽系中的皇冠。土星環(huán)不僅瑰麗，而且是一個(gè)活力十足的系統(tǒng)?；诳ㄎ髂犸w船的實(shí)地探測(cè)，結(jié)合地基和天基望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，我們對(duì)土星環(huán)的認(rèn)知在過去15年時(shí)間里有了長足的進(jìn)步。我們看到新的冰衛(wèi)星在土星環(huán)中形成，螺旋密度波（spiral density wave）和彎曲波（bending wave）不斷被激發(fā)而又消散，土星環(huán)中的冰塊在不斷的流失。我們也提出了很多新的問題：土星環(huán)是不是和土星的年齡一樣長？土星環(huán)是99%的水冰（H2O）嗎？
圖1. 土星系統(tǒng)（圖源：photojournal.jpl.nasa.gov）
伽利略的困惑
第一個(gè)看到土星環(huán)的人是伽利略。然而，受其望遠(yuǎn)鏡分辨率的限制，伽利略對(duì)所看到的景象自始至終都很困惑（圖2，I），并沒有意識(shí)到自己所看到的是土星和土星環(huán)。
1610年，當(dāng)伽利略將自己的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)土星時(shí)，他看到土星似乎有兩顆伴星（圖2，I）。然而，兩年以后，當(dāng)伽利略再次觀察土星時(shí)，由于當(dāng)時(shí)土星環(huán)平面與黃道面幾乎平行，從地球上看過去就好像土星環(huán)完全消失了一樣，因而伽利略之前看到的“兩顆伴星”也無處可尋。這給伽利略帶來了極大的困惑。他在給托斯卡納公爵（Grand Duke of Tuscany）的信中寫道：“怎樣才能理解如此奇怪的變形？”
圖2. 對(duì)土星與土星環(huán)的早期觀測(cè)與猜測(cè)，來自伽利略。（圖源：Linda Hall Library of Science, Engineering & Technology）
在接下來的四十多年的時(shí)間里，土星與土星環(huán)在早期天文望遠(yuǎn)鏡的注視下不斷地變化形態(tài)（圖2），讓當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家十分不解。直到1656年，惠更斯（Christiaan Huygens）提出大家看到的景象是因?yàn)橥列堑闹車嬖谥粋€(gè)扁平的薄環(huán)，并與地球觀察者不斷地變化著角度。1676年，卡西尼（Jean Dominique Cassini）發(fā)現(xiàn)土星環(huán)并不是一個(gè)整體，中間有空隙（現(xiàn)在被稱為卡西尼環(huán)縫，the Cassini Division）。土星環(huán)究竟是不是固體的爭論持續(xù)到了19世紀(jì)。1857年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）通過穩(wěn)定性分析證明了土星環(huán)不是一個(gè)剛體結(jié)構(gòu)，而是由非常多的小顆粒組成。1885年，James E. Keeler通過光譜觀測(cè)顯示土星環(huán)的速度遵守開普勒定律，由內(nèi)向外的角速度越來越慢，首次從觀測(cè)上證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于土星環(huán)不是剛體的論斷。（James E. Keeler也是The Astrophysical Journal的兩位創(chuàng)始人之一，另一位是George E. Hale。）
太空時(shí)代的土星環(huán)
進(jìn)入太空時(shí)代，人類的探測(cè)器離開地球飛向太陽系中的其它行星。其中先驅(qū)者11號(hào)（Pioneer 11）于1979年9月1日近距離飛掠土星，發(fā)現(xiàn)了稀薄的F環(huán)和G環(huán)。旅行者（Voyager）1號(hào)和2號(hào)分別于1980年11月12日和1981年8月25日近距離飛掠土星，在土星環(huán)中發(fā)現(xiàn)了豐富的動(dòng)態(tài)景象：螺旋密度波，彎曲波，尾流，諸多與土星環(huán)共存的小衛(wèi)星。
1997年10月15日，卡西尼飛船（Cassini Spacecraft）與惠更斯著陸器（Huygens Probe）搭乘泰坦4號(hào)運(yùn)載火箭離開地球，經(jīng)歷兩次金星飛掠，一次地球飛掠，一次木星飛掠，7年之后終抵達(dá)土星，開始了對(duì)土星系統(tǒng)的細(xì)致檢視。其中，惠更斯號(hào)著陸器于2005年1月14日成功軟著陸土衛(wèi)六（Titan），成為首個(gè)在外太陽系天體表面著陸的探測(cè)器?？ㄎ髂崽?hào)飛船搭載了完備的科學(xué)儀器，包括可見光成像系統(tǒng)，紅外光譜儀，紫外成像光譜儀，離子和中性粒子質(zhì)譜儀，雷達(dá)，宇宙塵埃分析儀，和磁強(qiáng)計(jì)等（圖3）。
2017年9月15日，在離開地球之后的20年，在土星系統(tǒng)中探索13年之后，卡西尼飛船按計(jì)劃制動(dòng)墜入土星大氣（圖3）。在土星系統(tǒng)的13年里，卡西尼飛船做出了一系列新發(fā)現(xiàn)：土衛(wèi)二（Enceladus）的南極羽流和內(nèi)部海洋，土衛(wèi)六（Titan）表面的甲烷海洋，幾乎完全軸對(duì)稱的土星磁場，南北不同且隨季節(jié)變化的土星電磁周期等都是卡西尼飛船的發(fā)現(xiàn)。在燃料將要耗盡之時(shí)，卡西尼飛船在土星系統(tǒng)的最后一年開啟了全新的軌道（圖3）：土星環(huán)擦過軌道（Ring-Grazing Orbit）和最終章軌道（Grand Finale Orbits），近距離觀測(cè)土星環(huán)和土星。在最終章軌道階段，卡西尼飛船穿越了土星大氣層和土星環(huán)之間的縫隙，成為首個(gè)穿越此縫隙的人造飛行器。土星環(huán)擦過軌道和最終章軌道給了我們?nèi)碌臋C(jī)會(huì)檢視土星環(huán)，土星和土星環(huán)之間的相互作用，土星環(huán)附近的電磁環(huán)境，土星引力和內(nèi)稟磁場。
圖3. 卡西尼飛船與其最后一年的軌道（圖源：NASA/JPL-Caltech）
土星環(huán)里的協(xié)奏曲
土星環(huán)里有著豐富的物理過程。這些物理過程在螺旋星系（spiral galaxy），吸積盤（accretion disk）和原行星盤（proto-planetary disk）中也在發(fā)生。因此，土星環(huán)也是太陽系中關(guān)于這些天體的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。
圖4. 土星環(huán)中的密度波（卡西尼飛船拍攝）（圖源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）
圖5. 土星衛(wèi)星Daphnis與其在土星環(huán)中激發(fā)的波結(jié)構(gòu)（卡西尼飛船拍攝，2019年6月14日Science雜志封面）（圖源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）
旅行者1號(hào)，2號(hào)，和卡西尼號(hào)在土星環(huán)中發(fā)現(xiàn)了諸多的波結(jié)構(gòu)（圖4 - 5）。其中很多的是螺旋密度波（圖4）。螺旋密度波首先由林德布拉德（Bertil Lindblad）提出，林家翹先生和徐遐生先生在1964年將其發(fā)展為密度波理論來解釋螺旋星系旋臂形成的原因。Peter Goldreich和Scott Tremaine在1978年到1982年（也是先驅(qū)者11號(hào)，旅行者1號(hào)，2號(hào)飛掠土星的時(shí)間），將林德布拉德共振和共轉(zhuǎn)共振（corotation resonance）理論運(yùn)用到土星環(huán)（和天王星環(huán)），提出了卡西尼環(huán)縫是源于土星環(huán)與土星的衛(wèi)星Mimas的共振作用，并計(jì)算了土星環(huán)中密度波的物理特性（如波長隨距離的變化，震動(dòng)幅度，耗散位置）如何由土星環(huán)的特性（如表面密度）和土星系統(tǒng)中衛(wèi)星的質(zhì)量來決定。
旅行者號(hào)和卡西尼號(hào)還直接觀察到了通過引力產(chǎn)生土星環(huán)縫的小衛(wèi)星，諸如產(chǎn)生恩克環(huán)縫（Encke Gap）的小衛(wèi)星Pan和產(chǎn)生基勒環(huán)縫（Keeler Gap）的小衛(wèi)星Daphnis（圖5），洛希極限以外的纖細(xì)F環(huán)如何由其軌道內(nèi)外的兩顆小衛(wèi)星（Pandora & Prometheus）引領(lǐng)，以及可能是正在土星環(huán)中在形成的小衛(wèi)星Peggy。洛希極限是中心天體的潮汐力與第二個(gè)天體的自身引力相等時(shí)兩個(gè)天體之間的距離，當(dāng)這兩個(gè)天體的距離小于洛希極限，較小的天體就會(huì)傾向于被潮汐力撕裂
土星環(huán)中大部分的密度波和彎曲波是由土星系統(tǒng)中的衛(wèi)星激發(fā)（圖5）。然而，在2013年左右， Matt Hedman和Phil Nicholson通過分析卡西尼飛船的數(shù)據(jù)在土星環(huán)中發(fā)現(xiàn)了不是由衛(wèi)星激發(fā)的密度波。這些密度波的特征與Mark Marley在1991年和1993年通過理論計(jì)算預(yù)測(cè)的土星內(nèi)部震動(dòng)在土星環(huán)中通過林德布拉德共振和豎直共振（vertical resonance）激發(fā)的密度波特征高度吻合。因此，土星環(huán)還是一個(gè)自然賜予的星震儀，可以用來探測(cè)土星內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)。通過細(xì)致的理論分析這些星震激發(fā)的密度波，加州理工學(xué)院的Jim Fuller在2014年提出土星深部有密度穩(wěn)定分層（stable stratification），加州大學(xué)圣克魯斯分校的Chris Mankovichi在2019年推算了土星內(nèi)部的自轉(zhuǎn)速度。由于土星的磁軸幾乎與土星的自轉(zhuǎn)軸完全重合（磁偏角小于0.007度），土星內(nèi)部自轉(zhuǎn)速度無法通過追蹤磁場來測(cè)量。太陽系中的其它巨行星的磁軸與其自轉(zhuǎn)軸都有大于10度的偏角，它們的內(nèi)部自傳速度都是通過追蹤磁場來測(cè)量。
圖6. 土星系統(tǒng)中的高能粒子輻射帶（圖源：Roussos 2018, Science 362, Issue 6410, eaat1962）
土星系統(tǒng)中除了引力的協(xié)奏曲，還上演著豐富的電磁現(xiàn)象：極光，千米波，高能粒子，南北不同且隨季節(jié)變化的電磁周期等。土星環(huán)在土星系統(tǒng)的電磁反應(yīng)中也扮演了重要的角色。與地球系統(tǒng)類似，土星系統(tǒng)中的高能粒子被土星磁場約束形成輻射帶?？ㄎ髂犸w船發(fā)現(xiàn)土星環(huán)和土星系統(tǒng)中的諸多冰衛(wèi)星扮演了高能粒子吸塵器的角色（圖6）。在穿過主要土星環(huán)（A，B，C環(huán)）和冰衛(wèi)星的磁力線上幾乎沒有高能粒子（圖6，圖8）。稀薄的D環(huán)并沒有清理高能粒子的能力（圖6，圖8），因而土星高層大氣和C環(huán)之間的縫隙還存在著一個(gè)內(nèi)輻射帶。
給土星環(huán)測(cè)體重，猜年齡
圖7. 通過測(cè)量卡西尼飛船軌跡的微小擾動(dòng)來計(jì)算土星環(huán)的質(zhì)量（圖源：Iess et al. 2019 Science 364, 6445, eaat2965）
土星環(huán)到底有多重？雖然我們可以通過土星環(huán)中的密度波來推算土星環(huán)的表面密度和質(zhì)量，但是，密度波只在土星環(huán)中較透明的部分被觀測(cè)到，因此無法通過這種方法來推算最不透明的B環(huán)部分的質(zhì)量。而土星環(huán)的質(zhì)量也很有可能集中在最不透明的B環(huán)。卡西尼最終章軌道將飛船首次送入土星環(huán)與土星之間的縫隙，這使得我們不僅可以測(cè)量土星環(huán)的引力場，而且可以將其與土星自身的巨大引力場分開（圖7）。通過分析卡西尼飛船在最終章軌道上10 毫米每秒左右的微小速度變化（飛船的平均軌道速度在30 公里每秒左右），卡西尼重力場團(tuán)隊(duì)推算出了土星環(huán)的總質(zhì)量大概是土衛(wèi)一 （Mimas，半徑198公里）質(zhì)量的40%左右。因此，土星環(huán)的總質(zhì)量和土星的一顆衛(wèi)星相當(dāng)。這是相當(dāng)有趣的，因?yàn)橥列黔h(huán)的形成理論之一便是由土星的潮汐力撕裂一顆遷移到土星洛希極限以內(nèi)的冰衛(wèi)星。
圖8. 土星環(huán)的流失，也被稱為土星環(huán)雨（Ring Rain）。土星環(huán)物質(zhì)的流失有兩個(gè)渠道：帶電粒子沿著磁力線方向飛往土星，中性粒子在環(huán)平面方向飛往土星。（圖源：NASA/JPL-Caltech）
然而，土星環(huán)的質(zhì)量是恒定不變的嗎？土星環(huán)會(huì)一直存在下去嗎？卡西尼飛船搭載的宇宙塵埃分析儀（Cosmic Dust Analyzer），離子和中性粒子質(zhì)譜儀（Ion Neutral Mass Spectrometer），和磁層成像儀（Magnetospheric Imaging Instrument）發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)中的物質(zhì)在不斷地向著土星流失（圖8），這個(gè)過程也被稱為土星環(huán)雨（Ring Rain）。土星環(huán)的物質(zhì)流失存在兩個(gè)渠道：帶電粒子沿著磁力線方向飛往土星，中性粒子在環(huán)平面方向飛往土星。兩個(gè)渠道的總物質(zhì)流失速率可高達(dá)10噸每秒。結(jié)合引力場測(cè)量的土星環(huán)的質(zhì)量，照此流失速率，一億年以后，土星環(huán)將不復(fù)存在。那么，土星環(huán)是不是和土星一樣存在了45.6億年？這個(gè)問題的答案要復(fù)雜一些，不能簡單地由現(xiàn)有質(zhì)量和物質(zhì)流失速率來推算，因?yàn)槲覀儾⒉恢劳列黔h(huán)的初始質(zhì)量。土星環(huán)的光學(xué)特征似乎指向土星環(huán)的存在時(shí)間在一億年左右。卡西尼飛船的宇宙塵埃分析儀測(cè)量了行星際空間的塵埃在土星環(huán)附近的沉降速率。如果土星環(huán)的年齡在45億年左右，由于行星際塵埃的污染，土星環(huán)的亮度會(huì)比現(xiàn)在所看到的要暗的多。然而，土衛(wèi)二（Enceladus）的南極羽流在不斷地往土星系統(tǒng)中輸送新的冰粒子，這些冰粒子的一部分會(huì)沉降在土星環(huán)的表面，從而不斷刷新土星環(huán)的表面使其顯得年輕。因此，從光學(xué)特征推斷的土星環(huán)的年齡可能并不可靠。土星環(huán)的年齡依舊是一個(gè)未解的謎。除了土星環(huán)的年齡，土星系統(tǒng)中的中等大小的衛(wèi)星的年齡也是一個(gè)謎。
卡西尼最終章對(duì)土星環(huán)粒子成分的測(cè)量給我們提出了一個(gè)新的謎團(tuán)。之前的光譜測(cè)量顯示土星環(huán)的成分是99%的水冰（H2O ice），卡西尼飛船搭載的宇宙塵埃分析儀捕捉到的由土星環(huán)飛向土星的塵埃有10% - 30%質(zhì)量比的硅，而離子和中性粒子質(zhì)譜儀捕捉到的土星環(huán)粒子更是顯示了16%的甲烷（CH4），20%的一氧化碳／氮?dú)猓–O／N2），和多達(dá)37%的有機(jī)物。為何光譜測(cè)量的土星環(huán)的成分與實(shí)地捕捉到的土星環(huán)粒子有如此大的差別？是因?yàn)橥列黔h(huán)粒子僅僅表層是水冰而內(nèi)里有更復(fù)雜的成分？還是因?yàn)閺耐列黔h(huán)飛往土星的粒子是經(jīng)過某種篩選過程因而并不代表土星環(huán)的主要成分？這個(gè)謎團(tuán)要留給將來的行星探索計(jì)劃了。
曾讓伽利略困惑不已的土星環(huán)在太空時(shí)代逐漸揭開了神秘的面紗。在看似冰冷平靜的外表之下，土星環(huán)中上演著豐富多彩的物理過程。對(duì)土星環(huán)和土星系統(tǒng)的探索，也在幫助我們更好的理解太陽系以及系外行星系統(tǒng)是如何形成的。而探索起源問題正是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的源動(dòng)力之一。
曹浩，哈佛大學(xué)地球與行星科學(xué)系研究員，歐洲航天局（ESA）木星冰衛(wèi)星計(jì)劃（JUICE）磁強(qiáng)計(jì)項(xiàng)目成員（Co-Investigator），美國航天局（NASA）木星朱諾（Juno）計(jì)劃和土星卡西尼（Cassini）計(jì)劃成員。2009年本科畢業(yè)于中科大。2014年于加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）獲得博士學(xué)位。研究領(lǐng)域是行星科學(xué)，集中在行星磁場起源，行星內(nèi)部動(dòng)力學(xué)，行星引力場，行星與行星環(huán)的相互作用等課題。
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