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《探索太阳系》第十一章 土星

时间:2020-09-15    点击: 次    来源:986文章网    作者:佚名 - 小 + 大


  •   20年前,天文学家想知道为什么在所有行星中仅仅只有木星有环。今天,我们知道四个大行星(木星、土星、天王星、海王星)都有一些类型的环,但没有一个可以跟土星壮丽的环相比。华丽而灿烂地,土星的光环跨越了超过32万千米(几乎是地球到月球的距离),甚至还可以在一个小孔径的业余爱好者的天文望远镜里被看见。

      土星的环首先是被伽利略看见的,不过那时他也不知道他看见的是什么。当伽利略通过一架天文望远镜第一次看见土星时,他注意到这个行星有些不一般。他宣称说“这第六个行星是三个”(即是说是一个三星)并且形容说“萨杜恩”(罗马神话里的一个老人)显然需要两个仆人在左右帮他在天堂之间来来去去。伽利略知道他在天文望远镜里所看到的不是像木星一样的球状物,但对他来说它看上去好像一个行星一边有一个小行星。在其他场合他也把这个物体描述成一个茶杯的把手或者是一对“耳朵”。

      数年以后,另一个天文学家,克里斯丁`惠更斯,意识到伽利略所看到的其实是一个完全围绕这颗行星的独立的环。事实上伽利略没有成功的辨别这个环也许是由于他早期望远镜较差的光学成像质量,也有可能是由于之前从没人看到过在行星周围有环,所以伽利略的头脑无法向他解释他所看到的是什么。

      从地球上看,土星显现出有3个环。它们被简称为A环(外层)、B环(中间)和C环(内层)。最宽的B环和A环被一个称为“卡西尼环缝”(来自发现它的天文学家)的缝隙所隔开。它宽得足够放下月球,并且可以在中口径的业余爱好者的望远镜里被看见。C环由于它那纱状的、半透明的外貌,因而也被称为“纱环”。

      在1980到1981年间,“旅行者”号到达土星后,土星环更完整的结构开始展示在我们面前。在地球上看见的3个环变成了成百上千个小环。接近看,土星的环像一个留声机唱片。另外,“旅行者”号还发现了地球上从没见过的新环,包括一个像散开的女孩头发的神秘发辫状物体。

      虽然土星的环看上去像一条跑道或一张CD,但它不是固体整盘。很早我们就知道这些大大小小的环不是固体的盘,而是由上百万的脏冰块构成。它们中有沙粒般大小的颗粒,还有小房子般大小的冰山。每一个物体在这暴风雪中运行就好像一个微小的行星在它自己的轨道上运行。与行星绕着太阳运转一样,离土星越近的环里的小颗粒或大石头运动速度越快。有的环绕速度可以高达8万千米/小时。对于我们的眼睛来说,所有的迷你卫星像风扇扇叶一样快速旋转而模糊,形成了我们所谓“环”的美丽装饰品。

      土星的B环有轮辐。在土星宽广的中层环上飞行,“旅行者1号”发现显现出来的有暗的轮辐状的条纹。科学家们认为这些轮辐可能是被土星磁场俘获并被迫在自旋的同时绕着这颗行星运行的带静电的尘埃悬浮在环上面造成的。

      除了约4830千米宽的卡西尼环缝外,其他在环内部的缝也是可见的。同时,天文学家意识到这种分离不仅仅是环系统的暂时特征,而是土星几个卫星的引力牵引的直接结果。某几个卫星间的作用力担当看不见的行动者,清理掉离土星某些距离的某些区域的环物质,于是产生了环缝。

      “旅行者1号”在A环的外侧较远处发现了一个很薄的环,科学家们对于它能存在感到十分惊奇。理论上组成它的岩石块和冰块应该在很早以前就散开,消失在太空中了。然而当太空船近距离看时竟发现了2个很小的卫星,环的一边一个。被形象地叫为“牧羊卫星”的两颗卫星扮演着牧羊犬的角色,用它们的引力把成群的开始向外逸散的环中的粒子物质拉回环中。

      在伽利略第一次发现土星那令人迷惑的外形后2年,他更加迷惑了,因为他发现这个行星的“仆人”或“附属物”完全消失了,在望远镜里仅留下一个圆圆的行星。今天,我们知道每过15~17年当环的边缘朝向地球时,这环看上去就像是消失了一样。这上天的魔法骗局是可能实现的,因为这个环虽然有32万千米宽,但是仅仅只有不到30米的厚度!在地球上去试着看环的边缘就好像在30千米外看唱片的边缘一样!最近一次环的边缘朝向地球是在1995年。

      每一个物体都有一个假象的表面叫“洛希极限”。在这个表面内,中心物体产生的潮xī力大于其他物体自身的引力。因此,在土星的洛希极限内任何进入的物质都不可能聚集成卫星,一定只会保持独立的小块。在某些情况下,冒昧地进入洛希极限的物体甚至会被潮xī力撕成碎片的,于是环产生了。

      跟木星一样,土星也是一个被云覆盖的大行星,有上千千米厚的大气。同时,跟木星一样,土星几乎全是由自然界2种最轻的元素构成:氢和氦。土星也含有少量的重元素和较多的复杂化合物,但它的实际总密度还是比水小。这意味着,找一个足够大的浴缸,土星会像放在一杯热可可里的软糖一样上下沉浮。

      虽然木星是五彩缤纷的,但土星更像一大块白色的糖果奶油布丁。从“大红斑”到它橙色和棕色的带纹,木星的大气呈现出生动的颜色的漩涡和斑点。对比之下,土星是十分柔和的。它的柔和的黄棕色云带点缀在白背景上。这种原因看上去似乎是2种因素共同作用的结果:①在土星大气高空有一薄雾层,它使得我们看这颗行星时好像透过了起霜的bō璃。②土星有更彻底的混合气候系统,所以大片的单色云很罕见。

      “旅行者”号的照相机侦察到了旋转火焰状的漩涡云,很可能是下着氨水的有亚洲大的飓风。但是这种现象与土星上每30个土星年才会发生的令人不可思议的事情相比是不算什么的。

      每次土星位于近日点时,它所接收到的更多的热会引发一个极大的上升气流。当大量的氨气飞快地上升到土星大气最高层时,它们就变成了数以万亿计的雪花。被超过1600千米/时的快速的气流俘获,雪花气流很快地爆发式增长为暴风雪,能包围好几倍地球面积的一个区域。看上去像一片巨大的覆盖上百万平方千米的白云,在衰减慢下来之前,这个暴风雪持续横行了几周。

      跟木星的“卡利斯托”和“盖尼米得”一样,土星的许多卫星也是由冰构成的。就像土星自己的环,它许多的卫星是由冰构成的。然而,在距太阳16亿千米的地方,冰的温度是十分低的,所以这土星卫星上的冰性质跟地球上的很不一样。事实上,完全失去了它的弹性后,土星卫星上的冰像钢铁一样坚硬但也像bō璃一样脆。

      在“特提斯”(土卫三)上,有一个叫“伊萨卡峡谷”的地方,它延伸出这颗卫星2/3周长的长度。“伊萨卡峡谷”也许是“特提斯”内部冷却、冻结而膨胀时裂开的一条裂缝(跟你向你的汽车的冷却系统中的水箱放了太少的防冻液所发生的一样)。

      小小的土卫一是一个仅仅480千米宽的小冰球,然而它有一个突出的超过100千米宽的被命名为“赫歇尔”的冲击坑,在坑中心还有一个5千米高的山峰。不仅仅是这个特征让土卫一看上去像星战里的死亡之星,它还显示了在这样大一个卫星上可以有多大的陨石坑。如果狠狠砸上土卫一的物体再稍稍大一点,它就会把这颗卫星撞成碎片。

      太阳系里的比土卫一大的卫星全是跟行星一样是球形的。但比土卫一小的卫星在形状上就是典型的不规则了。土卫一大小和更大的物体有足够的质量让它们在刚形成时保持熔化状态一段时间。在熔化状态时,引力自然的把它自身塑造成一个球形。更小的卫星(比如小行星和彗星)决不会经过一个熔化阶段,所以形状不规则。

      土卫一的许多地表特征已经被天文学家根据亚瑟王的传说而稀奇古怪地命名了,包括“圭尼维娅”、“兰斯洛特”、“梅林”,当然还有亚瑟王自己。

      “恩克拉多斯”是土星的另一个有陨石坑的冰卫星。它上面也有一个又长又宽的条状区域,看上去就像是一个巨大的舌头伸出来把这部分舔干净了,除去了所有细节一样。这个区域的边缘甚至分布着一些一半完整一半消失的陨石坑。特大的地外宇宙尺度的雪可能不是假设了,科学家们认为在这里,这颗卫星的冰在过去至少溶化过一次,爆发式的涌出来冲过这片地形。热源来自哪里呢?也许是来自土星潮xī的拉扯。

      土卫八是一个两面的世界。在太阳系里土卫八是最奇怪的地方之一。它有大约1400千米宽的一面半球是覆盖着冰,像新下的雪一样亮;然而反面半球的很大一部分比沥青还暗。天文学家推测这种很暗的物质可能是某些有机物质(就像焦油),受土卫八和土星之间的潮xī热的影响,不知何故从这卫星内部深处涌出。

      土卫七大约有260千米宽,看上去像一个汉堡包和一个冰球的交叉部分。它的完全不像球形的形状可能是因为远古时的一次撞击撞掉了它一块或者更多部分,并把剩下的炸进一个蛋形轨道里。它不对称的形状和奇怪的轨道造成土卫七十分混乱的旋转速率以至于在它上面每一天的长度都在变。如果较长的天都是周六和周日,那这也许不是一个很糟的住处。

      “泰坦”,土星最大的卫星,是太阳系里第二大的卫星(仅次于“盖尼米得”)。直径5100千米,“泰坦”比水星和冥王星大。它不仅仅是一个只有行星般大小的星体,它也有一个行星的典型特征:大气。事实上,“泰坦”大气的厚度是地球大气厚度的2.5倍。当“旅行者”号飞过“泰坦”时,科学家们希望能看到它的深藏不露的奇异外貌,但他们所能看见的只是隐藏在一层毫无特色的橙色雾里的球。有丰富的甲烷(就是我们通常所知的天然气),“泰坦”的大气受太阳光推动,制造碳氢化合物的烟雾。一些科学家推测再过几年有机化合物的雾会通过大气渗透下去,并在“泰坦”的地面聚积形成橙色的泥状堆积物。其他人则假设乙烷云会降落到液态甲烷形成的海或者湖。

      最近,天文学家已经用哈勃空间望远镜来透过“泰坦”的遮挡烟雾看内部。在特殊的红外波段,大气变得稍微有点透明,能瞥见地表了。迄今为止,明暗特征已经描绘出来了,但对于16亿千米远的东西,即使是“哈勃”也无法把细节处理得足够好让我们能判断出我们看见的是什么。

      21世纪早期,“卡西尼”号太空船预定将航向土星。主航空器将进入沿着巨大环的轨道。惠更斯号探测器将脱离母船,借助降落伞进入“泰坦”的神奇的大气里。然而探测器上不会携带相机(由于预算原因而减掉了),其他的仪器将会告诉我们这个不一般的卫星的更多的气候和化学组成信息。

      在遥远的未来,“泰坦”会成为一个有趣的居住地。离太阳几乎有16亿千米远,“泰坦”的温度不会很温和,一点也不让人奇怪。观测者和电脑模型假设地表温度读数大约在——156℃。然而在过40亿~50亿年前事情也许完全不一样。随着我们的太阳变老,它某一天会变成红巨星,吞没并烧焦水星和金星、蒸发掉地球上的水。这种让地球不再适合生存的变化也许会促使“泰坦”变得“繁盛”。“泰坦”的组成在科学上是令人着迷的,因为“泰坦”是真正的有机化合物实验室,含有大量的科学家们坚信的地球生命开始出现时存在的分子。如果“泰坦”的温度能有效地上升,一些有趣的进化(先化学后生物)就可能发生。这样当我们古老的居住地不再适合居住时我们也许就能在土星轨道上找到一个新家。

      最近天文学家们利用一个特殊事件来找土星周围更多的卫星。每15~17年,地球都会指向能同时看见土星环顶部和底部的方向。然后,接下来的15年我们能看见环的背面。但在这两段时间之间,有一个几周的时间,环是边缘指向地球的。在那段时间里环很薄,所以会消失。随着环明显的消失,它们炫目的太阳反射光也减弱了。这就允许天文学家去找原来没发现的微小卫星。在1995年的夏天,天文学家利用环平面转换的时机,用“哈勃”最新的锐利的眼睛去搜索出能被证明是家族新成员的物体。未来的观测等待我们确定这些。
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