土星的环是太阳系绚丽的皇冠，四百年前她曾经给伽利略带来了困惑。近几十年来，人类的多个探测器光临土星，天文学家究竟是如何逐步揭开她的神秘面纱的呢？
土星环，土星，地球-月球，金星，火星（卡西尼飞船拍摄）（图源：photojournal.jpl.nasa.gov）
撰文 | 曹浩 （哈佛大学）
编辑 | 韩越扬
土星系统是太阳系中一个多姿多彩的行星系统（图1）：土星上巨型风暴与极光交相辉映；六十多颗大大小小的冰卫星各不相同：表面有甲烷海洋的土卫六（Titan），南极有羽流（plume）的土卫二（Enceladus）。而土星环（封面图，图1）可以说是土星系统的标志，常常被称为太阳系中的皇冠。土星环不仅瑰丽，而且是一个活力十足的系统。基于卡西尼飞船的实地探测，结合地基和天基望远镜的观测，我们对土星环的认知在过去15年时间里有了长足的进步。我们看到新的冰卫星在土星环中形成，螺旋密度波（spiral density wave）和弯曲波（bending wave）不断被激发而又消散，土星环中的冰块在不断的流失。我们也提出了很多新的问题：土星环是不是和土星的年龄一样长？土星环是99%的水冰（H2O）吗？
图1. 土星系统（图源：photojournal.jpl.nasa.gov）
伽利略的困惑
第一个看到土星环的人是伽利略。然而，受其望远镜分辨率的限制，伽利略对所看到的景象自始至终都很困惑（图2，I），并没有意识到自己所看到的是土星和土星环。
1610年，当伽利略将自己的望远镜对准土星时，他看到土星似乎有两颗伴星（图2，I）。然而，两年以后，当伽利略再次观察土星时，由于当时土星环平面与黄道面几乎平行，从地球上看过去就好像土星环完全消失了一样，因而伽利略之前看到的“两颗伴星”也无处可寻。这给伽利略带来了极大的困惑。他在给托斯卡纳公爵（Grand Duke of Tuscany）的信中写道：“怎样才能理解如此奇怪的变形？”
图2. 对土星与土星环的早期观测与猜测，来自伽利略。（图源：Linda Hall Library of Science, Engineering & Technology）
在接下来的四十多年的时间里，土星与土星环在早期天文望远镜的注视下不断地变化形态（图2），让当时的天文学家十分不解。直到1656年，惠更斯（Christiaan Huygens）提出大家看到的景象是因为土星的周围存在着一个扁平的薄环，并与地球观察者不断地变化着角度。1676年，卡西尼（Jean Dominique Cassini）发现土星环并不是一个整体，中间有空隙（现在被称为卡西尼环缝，the Cassini Division）。土星环究竟是不是固体的争论持续到了19世纪。1857年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）通过稳定性分析证明了土星环不是一个刚体结构，而是由非常多的小颗粒组成。1885年，James E. Keeler通过光谱观测显示土星环的速度遵守开普勒定律，由内向外的角速度越来越慢，首次从观测上证实了麦克斯韦关于土星环不是刚体的论断。（James E. Keeler也是The Astrophysical Journal的两位创始人之一，另一位是George E. Hale。）
太空时代的土星环
进入太空时代，人类的探测器离开地球飞向太阳系中的其它行星。其中先驱者11号（Pioneer 11）于1979年9月1日近距离飞掠土星，发现了稀薄的F环和G环。旅行者（Voyager）1号和2号分别于1980年11月12日和1981年8月25日近距离飞掠土星，在土星环中发现了丰富的动态景象：螺旋密度波，弯曲波，尾流，诸多与土星环共存的小卫星。
1997年10月15日，卡西尼飞船（Cassini Spacecraft）与惠更斯着陆器（Huygens Probe）搭乘泰坦4号运载火箭离开地球，经历两次金星飞掠，一次地球飞掠，一次木星飞掠，7年之后终抵达土星，开始了对土星系统的细致检视。其中，惠更斯号着陆器于2005年1月14日成功软着陆土卫六（Titan），成为首个在外太阳系天体表面着陆的探测器。卡西尼号飞船搭载了完备的科学仪器，包括可见光成像系统，红外光谱仪，紫外成像光谱仪，离子和中性粒子质谱仪，雷达，宇宙尘埃分析仪，和磁强计等（图3）。
2017年9月15日，在离开地球之后的20年，在土星系统中探索13年之后，卡西尼飞船按计划制动坠入土星大气（图3）。在土星系统的13年里，卡西尼飞船做出了一系列新发现：土卫二（Enceladus）的南极羽流和内部海洋，土卫六（Titan）表面的甲烷海洋，几乎完全轴对称的土星磁场，南北不同且随季节变化的土星电磁周期等都是卡西尼飞船的发现。在燃料将要耗尽之时，卡西尼飞船在土星系统的最后一年开启了全新的轨道（图3）：土星环擦过轨道（Ring-Grazing Orbit）和最终章轨道（Grand Finale Orbits），近距离观测土星环和土星。在最终章轨道阶段，卡西尼飞船穿越了土星大气层和土星环之间的缝隙，成为首个穿越此缝隙的人造飞行器。土星环擦过轨道和最终章轨道给了我们全新的机会检视土星环，土星和土星环之间的相互作用，土星环附近的电磁环境，土星引力和内禀磁场。
图3. 卡西尼飞船与其最后一年的轨道（图源：NASA/JPL-Caltech）
土星环里的协奏曲
土星环里有着丰富的物理过程。这些物理过程在螺旋星系（spiral galaxy），吸积盘（accretion disk）和原行星盘（proto-planetary disk）中也在发生。因此，土星环也是太阳系中关于这些天体的一个实验室。
图4. 土星环中的密度波（卡西尼飞船拍摄）（图源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）
图5. 土星卫星Daphnis与其在土星环中激发的波结构（卡西尼飞船拍摄，2019年6月14日Science杂志封面）（图源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute）
旅行者1号，2号，和卡西尼号在土星环中发现了诸多的波结构（图4 - 5）。其中很多的是螺旋密度波（图4）。螺旋密度波首先由林德布拉德（Bertil Lindblad）提出，林家翘先生和徐遐生先生在1964年将其发展为密度波理论来解释螺旋星系旋臂形成的原因。Peter Goldreich和Scott Tremaine在1978年到1982年（也是先驱者11号，旅行者1号，2号飞掠土星的时间），将林德布拉德共振和共转共振（corotation resonance）理论运用到土星环（和天王星环），提出了卡西尼环缝是源于土星环与土星的卫星Mimas的共振作用，并计算了土星环中密度波的物理特性（如波长随距离的变化，震动幅度，耗散位置）如何由土星环的特性（如表面密度）和土星系统中卫星的质量来决定。
旅行者号和卡西尼号还直接观察到了通过引力产生土星环缝的小卫星，诸如产生恩克环缝（Encke Gap）的小卫星Pan和产生基勒环缝（Keeler Gap）的小卫星Daphnis（图5），洛希极限以外的纤细F环如何由其轨道内外的两颗小卫星（Pandora & Prometheus）引领，以及可能是正在土星环中在形成的小卫星Peggy。洛希极限是中心天体的潮汐力与第二个天体的自身引力相等时两个天体之间的距离，当这两个天体的距离小于洛希极限，较小的天体就会倾向于被潮汐力撕裂
土星环中大部分的密度波和弯曲波是由土星系统中的卫星激发（图5）。然而，在2013年左右， Matt Hedman和Phil Nicholson通过分析卡西尼飞船的数据在土星环中发现了不是由卫星激发的密度波。这些密度波的特征与Mark Marley在1991年和1993年通过理论计算预测的土星内部震动在土星环中通过林德布拉德共振和竖直共振（vertical resonance）激发的密度波特征高度吻合。因此，土星环还是一个自然赐予的星震仪，可以用来探测土星内部的结构与动力学。通过细致的理论分析这些星震激发的密度波，加州理工学院的Jim Fuller在2014年提出土星深部有密度稳定分层（stable stratification），加州大学圣克鲁斯分校的Chris Mankovichi在2019年推算了土星内部的自转速度。由于土星的磁轴几乎与土星的自转轴完全重合（磁偏角小于0.007度），土星内部自转速度无法通过追踪磁场来测量。太阳系中的其它巨行星的磁轴与其自转轴都有大于10度的偏角，它们的内部自传速度都是通过追踪磁场来测量。
图6. 土星系统中的高能粒子辐射带（图源：Roussos 2018, Science 362, Issue 6410, eaat1962）
土星系统中除了引力的协奏曲，还上演着丰富的电磁现象：极光，千米波，高能粒子，南北不同且随季节变化的电磁周期等。土星环在土星系统的电磁反应中也扮演了重要的角色。与地球系统类似，土星系统中的高能粒子被土星磁场约束形成辐射带。卡西尼飞船发现土星环和土星系统中的诸多冰卫星扮演了高能粒子吸尘器的角色（图6）。在穿过主要土星环（A，B，C环）和冰卫星的磁力线上几乎没有高能粒子（图6，图8）。稀薄的D环并没有清理高能粒子的能力（图6，图8），因而土星高层大气和C环之间的缝隙还存在着一个内辐射带。
给土星环测体重，猜年龄
图7. 通过测量卡西尼飞船轨迹的微小扰动来计算土星环的质量（图源：Iess et al. 2019 Science 364, 6445, eaat2965）
土星环到底有多重？虽然我们可以通过土星环中的密度波来推算土星环的表面密度和质量，但是，密度波只在土星环中较透明的部分被观测到，因此无法通过这种方法来推算最不透明的B环部分的质量。而土星环的质量也很有可能集中在最不透明的B环。卡西尼最终章轨道将飞船首次送入土星环与土星之间的缝隙，这使得我们不仅可以测量土星环的引力场，而且可以将其与土星自身的巨大引力场分开（图7）。通过分析卡西尼飞船在最终章轨道上10 毫米每秒左右的微小速度变化（飞船的平均轨道速度在30 公里每秒左右），卡西尼重力场团队推算出了土星环的总质量大概是土卫一 （Mimas，半径198公里）质量的40%左右。因此，土星环的总质量和土星的一颗卫星相当。这是相当有趣的，因为土星环的形成理论之一便是由土星的潮汐力撕裂一颗迁移到土星洛希极限以内的冰卫星。
图8. 土星环的流失，也被称为土星环雨（Ring Rain）。土星环物质的流失有两个渠道：带电粒子沿着磁力线方向飞往土星，中性粒子在环平面方向飞往土星。（图源：NASA/JPL-Caltech）
然而，土星环的质量是恒定不变的吗？土星环会一直存在下去吗？卡西尼飞船搭载的宇宙尘埃分析仪（Cosmic Dust Analyzer），离子和中性粒子质谱仪（Ion Neutral Mass Spectrometer），和磁层成像仪（Magnetospheric Imaging Instrument）发现，土星环中的物质在不断地向着土星流失（图8），这个过程也被称为土星环雨（Ring Rain）。土星环的物质流失存在两个渠道：带电粒子沿着磁力线方向飞往土星，中性粒子在环平面方向飞往土星。两个渠道的总物质流失速率可高达10吨每秒。结合引力场测量的土星环的质量，照此流失速率，一亿年以后，土星环将不复存在。那么，土星环是不是和土星一样存在了45.6亿年？这个问题的答案要复杂一些，不能简单地由现有质量和物质流失速率来推算，因为我们并不知道土星环的初始质量。土星环的光学特征似乎指向土星环的存在时间在一亿年左右。卡西尼飞船的宇宙尘埃分析仪测量了行星际空间的尘埃在土星环附近的沉降速率。如果土星环的年龄在45亿年左右，由于行星际尘埃的污染，土星环的亮度会比现在所看到的要暗的多。然而，土卫二（Enceladus）的南极羽流在不断地往土星系统中输送新的冰粒子，这些冰粒子的一部分会沉降在土星环的表面，从而不断刷新土星环的表面使其显得年轻。因此，从光学特征推断的土星环的年龄可能并不可靠。土星环的年龄依旧是一个未解的谜。除了土星环的年龄，土星系统中的中等大小的卫星的年龄也是一个谜。
卡西尼最终章对土星环粒子成分的测量给我们提出了一个新的谜团。之前的光谱测量显示土星环的成分是99%的水冰（H2O ice），卡西尼飞船搭载的宇宙尘埃分析仪捕捉到的由土星环飞向土星的尘埃有10% - 30%质量比的硅，而离子和中性粒子质谱仪捕捉到的土星环粒子更是显示了16%的甲烷（CH4），20%的一氧化碳／氮气（CO／N2），和多达37%的有机物。为何光谱测量的土星环的成分与实地捕捉到的土星环粒子有如此大的差别？是因为土星环粒子仅仅表层是水冰而内里有更复杂的成分？还是因为从土星环飞往土星的粒子是经过某种筛选过程因而并不代表土星环的主要成分？这个谜团要留给将来的行星探索计划了。
曾让伽利略困惑不已的土星环在太空时代逐渐揭开了神秘的面纱。在看似冰冷平静的外表之下，土星环中上演着丰富多彩的物理过程。对土星环和土星系统的探索，也在帮助我们更好的理解太阳系以及系外行星系统是如何形成的。而探索起源问题正是推动科学进步的源动力之一。
曹浩，哈佛大学地球与行星科学系研究员，欧洲航天局（ESA）木星冰卫星计划（JUICE）磁强计项目成员（Co-Investigator），美国航天局（NASA）木星朱诺（Juno）计划和土星卡西尼（Cassini）计划成员。2009年本科毕业于中科大。2014年于加州大学洛杉矶分校（UCLA）获得博士学位。研究领域是行星科学，集中在行星磁场起源，行星内部动力学，行星引力场，行星与行星环的相互作用等课题。
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参考资料
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