土星環中的STEM

2021-01-20 百研工坊

作者：劉平瑤 東南大學腦與學習科學系


土星環是太陽系行星裡最壯闊的風景之一。1610年，伽利略變成第一個見到土星環的人，他說道，從望眼鏡裡他見到土星好像有一對「耳朵裡面」。


1655年，西班牙科學家布拉德·惠更斯應用更高級的天文望遠鏡再度觀察了土星環，他發覺土星的「耳朵裡面」實際上是緊緊圍繞土星的好看的環系統軟體。


在暗棕褐色宇宙空間的襯託下，土星環閃耀著來源於太陽光的光輝，看起來絢麗奪目。與木星一樣，土星也是一個極大的氣體星體。表面空氣的主要成分是氡氣，在其中懸浮著氨和水產生的冰晶雲，在這下邊則是包囊了全部星體表面的液態金屬氫的汪洋。


奪目的土星環關鍵由水態冰構成，而不是凍潔的冰，冰塊尺寸從像大家喝的炒冰飲品裡的碎冰碴，到大冰磚，乃至北冰洋上懸浮的冰川不一。



這種冰塊以7.2萬公裡/鐘頭的速率繞土星轉動，從遠方看去，他們構成了幾個詳細的寬光暈。在1981年和1981年發送行星際帝國探測儀「旅行者1號」和「旅行者2號」檢測土星前，大部分專家學者覺得大約有三或四條土星環。可是探測儀送回的照片卻超出大家預料，從照片上看，土星環遠遠不止幾個罷了，只是數千條。有幾個環間隔看起來十分寬，但大部分環排序密不可分，環空隙看上去就好像光碟上的暗槽。


「旅行者號」間距火花很遠，數位相機沒法拍攝到單獨冰塊的模樣。但這張照片卻得以使我們見識到土星環的模樣，一些環十分薄，乃至能夠通過他們看到後邊的星辰。


從數學、科學角度看土星環的延伸


土星光環除了明亮還又寬又薄。土星環延伸到土星以外遼闊的空間，土星最外環距土星中心有10~15個土星半徑，土星光環寬達20萬公裡，可以在光環面上並列排上十多個地球，如果拿一個地球大小的球體在上面滾來滾去，其情形如同皮球在人行道上滾動一樣。主要的土星環寬度從48公裡到30.2萬公裡不等，以英文字母的頭7個命名，距離土星從近到遠的土星環分別以被發現的順序命名為D、C、B、A、F、G和E。土星及土星環在太陽系形成早期已形成,當時太陽被宇宙塵埃和氣體所包圍，最後形成了土星和土星環。土星光環又很薄。我們在地球上透過土星環，還可見到光環後面的側面閃爍的星星，土星環估計最厚不超過150公裡。所以，當光環的側面轉向我們時，遠在地球上的人望過去，150公裡厚的土星環就像薄紙一張——光環「消失」了。每隔15年，光環就要消失一次。


奇異的土星光環位於土星赤道平面內，與地球公轉情況一樣，土星赤道面與它繞太陽運轉軌道平面之間有個夾角，這個27°的傾角，造成了土星光環模樣的變化。我們會一段時間「仰視」土星環，一段時間又「俯視」土星環，這種時候的土星環像頂漂亮的寬邊草帽。另外一些時候，它又像一個平平的圓盤，或者突然隱身不見，這是因為我們在「平視」光環，即使是最好的望遠鏡也難覓其「芳蹤」。在1950~1951年、1995~1996年，都是土星環失蹤年。


從技術、工程角度看土星環的環辨


土星環裡還藏著一個不太亮的光點，那正是我們的地球。不過將土星環說成由衛星演變而成也許並沒有錯，通過「卡西尼」號2007年傳回的數據，科學家至少在土星的一條光環——G環上找到了足以驗證這個理論的依據。G環位於土星環的外側，1979年，「旅行者」號飛經土星時偶然發現了這條環，環的附近就是土衛一，它離G環只有1.5萬千米，可是G環卻並沒有被土衛一分解成灰塵雲。藉助「卡西尼」號發回的數據，科學家發現，G環的內側有一道明亮的弧狀結構，它是由直徑數十米的巖石構成的，正是這些巖石被不斷碰撞後分解成了G環的一部分。科學家解釋說，G環內曾經存在過一顆衛星，但不知是什麼原因，它解體了，演化成了環，而「卡西尼」號恰巧看到了這個演化過程的最後一幕。


與G環相鄰的F環也是科學家們極感興趣的一條光環。這個環的奇特之處在於它時常改變外形使自己變成一種扭結的形態。科學家推測：F環中可能存在著尚未發現的小衛星，當它們穿過這個環時，會對環的外形產生影響。2008年6月，科學家在《自然》雜誌上公布了他們對這個環的最新的研究結果，他們說，F環中確實有這樣的小衛星，而且，這個環還受到土衛十六和土衛十七的影響，它們分別位於F環的內側和外側，其共同的作用會束縛和擠壓F環，導致它發生交錯現象。土衛十六還沿著一個橢圓的軌道穿行於F環，每次穿行都會在F環上拖出一道溝，由此產生的引力使F環彎曲和拉伸，從而扭結成一個螺旋的形狀。科學家說，對於F環的研究意義重大，它有助於我們認識其他氣體巨星的環的行為，這種複雜的環與衛星的互動關係會成為我們認識行星環的重要依據。


與F環相比，土星的A環和B環吸引了科學家們更多的視線。科學家在A環中頻頻發現新的塊狀物，它們的直徑多為100米左右，其數量已達幾十個之多。這使科學家們意識到，土星周圍這樣的小衛星非常多，可能以數百萬計，而A環中的土衛十八和土衛三隻是其中的最大者，這表明土星環中的物質形態除了較大衛星和較小的顆粒外，這種「中間大小」的物質亦非常重要。這一發現將有助於人類對土星環乃至於整個太陽系形成理論的重新認識。A環與B環僅一「縫」之隔，這個「縫」就是卡西尼縫。跨過卡西尼縫就是寬闊的B環，存在於B環上的最大謎團是它上面的輻射條紋，它們是一些由靜電造成的塵埃雲團，在20世紀80年代便被發現了，然而直到現在，對它們的解釋依然是眾說紛紜的。

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