【汉语拼音】xingxinghuan
【中文词条】行星环
【外文词条】ring of planet
【作者】陈道汉武志贤初一
围绕行星运转的物质环﹐由许多小物体构成﹐因反射太阳光而发亮﹐又称光环。十七世纪发现土星环以来﹐人们一直以为唯独土星有环。二十世纪七十年代后期天王星环和木星环的相继发现﹐打破了这种观念﹐并为研究太阳系起源和演化提供了新的信息。目前认为行星环的可能成因有三﹕
由于卫星进入行星 ?A HREF="content.asp~id=28072.html">洛希极限内为行星的起潮力所瓦解﹔
太阳系演化初期残留下来的某些原始物质﹐因在洛希极限内绕行星公转而无法凝聚成卫星﹔
位于洛希极限内的一个或更多的较大天体被流星轰击成碎片﹐构成行星环。一般说来﹐大多数行星环中的物质在行星的洛希极限内绕行星本体运转﹔最近发现﹐有的较外层的环可以分布在洛希极限外很远的地方﹐对于这些环的形成原因还有待研究。甚至洛希极限公式本身﹐近年来亦在修正中。
土星环 1610年﹐义大利天文学家伽利略观测到在土星的球状本体旁有奇怪的附属物。1659年﹐荷兰学者惠更斯证认出这是离开本体的光环。以后二百年间﹐土星环被看作是一个或几个扁平的固体物质盘。直到1856年﹐英国物理学家麦克斯韦从理论上论证了土星环是无数个小卫星在土星赤道面上绕土星旋转的物质系统。
土星环位于土星的赤道面上。在空间探测以前﹐从地面观测得知土星环有五个﹐其中包括三个主环(A环﹑B环﹑C环)和两个暗环(D环﹑E环)。B环既宽又亮﹐它的内侧是C环(又称纱环)﹐外侧是A环。A环和B环之间为宽约5﹐000公里的卡西尼缝﹐是著名的天文学家G.D.卡西尼在1675年发现的。B环的内半径 91﹐500公里﹐外半径116﹐500公里﹐宽度是25﹐000公里﹐可以并排安放两个地球。A环的内半径121﹐500公里﹐外半径137﹐000公里﹐宽度15﹐500公里。C环很暗﹐它从B环的内边缘一直延伸到离土星表面只有12﹐000公里处﹐宽度约19﹐000公里﹐1969年在C环内侧发现了更暗的D环﹐它几乎触及土星表面﹐在A环外侧还有一个E环﹐由非常稀疏的物质碎片构成﹐延伸在五﹑六个土星半径以外。1979年9月﹐行星际探测器“先驱者” 11号探测到两个新环──F环和G环。F环很窄﹐宽度不到800公里﹐离土星中心的距离为2.33个土星半径﹐正好在A环的外侧。G环离土星很远﹐展布在离土星中心大约10～15个土星半径间的广阔地带。“先驱者”11号还测定了A环﹑B环﹑C环和卡西尼缝的位置和宽度﹐其结果同地面观测所得的上述数据稍有出入﹐总的说来相差不大。但是“先驱者”11号在整个依傍 尚衅诩洎o没有看到D环。因此是否真有D环﹐尚有争议。“先驱者”11号的紫外辉光观测发现﹐在土星的可见环周围有巨大的氢云。环本身是氢云的源。
除了A环﹑B环﹑C 环以外的其他环都很暗弱。土星的赤道面与轨道面的倾角较大﹐从地球上看﹐土星呈现出南北方向的摆动﹐这就造成了土星环形状的周期变化。
仔细观测发现﹐土星环内除卡西尼缝以外﹐还有若干条缝﹐它们是质点密度较小的区域﹐但大多不完整且具有暂时性。只有A环中的恩克缝是永久性的﹐不过﹐环缝也不完整。科学家认为这些环缝都是土星卫星的引力共振造成的﹐犹如木星的巨大引力摄动造成小行星带中的柯克伍德缝一样。“先驱者”11号在A环与F环之间发现一个新的环缝﹐称为“先驱者缝”﹐还测得恩克缝的宽度为876公里。
由观测阐明土星环的本质﹐要归功于美国天文学家基勒﹐他在1895年从土星环的反射光的多普勒频移发现土星环不是固体盘﹐而是以独立轨道按开普勒定律绕土星旋转的大群质点。土星环掩星并没有把被掩的星光完全挡住﹐这也说明土星环是由分离质点构成的。1972年从土星环反射的雷达回波得知﹐环的质点是直径介于4厘米和30厘米之间的冰块。
土星环中物质的总质量约等于土星质量的百万分之一。环极冷﹐探测到的温度只有65～75K。
天王星环 自1781年发现天王星以来﹐尚未观测过天王星掩恒星事件。1977年3月10日﹐发生了天王星掩恒星SAO 158687的罕见天象。美国和中国﹑澳大利亚﹑印度﹑南非都对这一天象进行了观测。结果意外地发现了天王星环。这是继1930年发现冥王星之后﹐本世纪太阳系内的又一重大发现。
天王星环非常暗弱﹐即使在大型望远镜中﹐也从未看到过和拍摄到过。可是﹐在这次掩星观测过程中﹐当天王星与恒星的星像相距甚微但尚未重合时﹐光电记录仪上却意外地记录到次级掩。科学家们综合分析了几个天文台的观测资料﹐肯定在天王星周围存在著由细小的微粒组成的环带。当时发现了五个环﹐分别命名为α环﹑β环﹑γ环﹑δ 环﹑
环。对观测资料的进一步分析﹐以及随后对另两次天王星环掩星事件的观测﹐进一步确认﹐在α环内还有三个小环﹐在β环和γ环之间﹐也有一个小环。这样一共发现了九个环。
美国J.L.埃利奥特教授等人曾经进行综合分析﹐得知几个“老”环的半径﹕α 环为44﹐844±29公里﹔β环为 45﹐799±28公里﹔γ环为 47﹐746±27公里﹔δ 环为48﹐423±27 公里。这四个环的宽度都是 12公里左右。
环是最外面的也是最致密的环﹐但是呈现不对称性﹐恒星星像浸入环的一边比恒星星像复现的一边宽﹐半径也大一些。前者约85公里宽﹐半径51﹐613公里﹐后者约35公里宽﹐半径51﹐055公里。但上述的量均有明显的误差。如 环是一个椭圆﹐偏心率≒0.013。
中国紫金山天文台和北京天文台联合观测了这一特殊天象﹐成功地记录了
环的掩星信息﹐并综合计算了外国四个天文台的观测资料﹐得到 环的半径在50﹐250～50﹐770公里之间﹐宽度在50～100公里之间。此外﹐在北京大学数学系的协助下﹐对资料进行统计处理﹐还证实了存在其他的小环。
1977年12月23日和1978年4月10日﹐又发生两次天王星环掩恒星的事件。前一次观测证认了若干老环﹐没有发现新环。后一次观测是由珀森在智利进行的。美国加利福尼亚理工学院的P.尼科尔森等人分析了珀森的观测资料﹐证实了五个老环的存在﹐还发现四个小环﹐他们称为χ 环﹑
环﹑
环和
环﹔其半径分别为42﹐088公里﹑42﹐349公里﹑42﹐618公里和47﹐290公里。分析了这些观测资料﹐戈尔德里奇认为 环是一个椭圆﹐它在天王星周围以每天1
4的速率进动著。环是不均匀的﹐离天王星中心越近的地方越狭窄。
1978年﹐美国的5米口径的望远镜用红外光(工作波长 2.2微米)拍摄了天王星环的照片。这个波段正是天王星光谱中甲烷的吸收带﹐所以圆面比环更暗。
木星环 1979年3月4日﹐当行星际探测器“旅行者”1号穿越木星赤道面时﹐它携带的窄角照相机在距离木星120万公里处拍到了亮度暗弱的木星环的照片﹐木星环离木星中心约128﹐300公里。环的宽度约数千公里﹐厚度约30公里﹐光谱型为G型。木星环系由黑色的块状物体组成﹐每块的大小从数十米至数百米不等。这些块状物体围绕木星旋转﹐约7小时旋转一周。
1979年7月10日﹐“旅行者”2号又在距木星约150万公里处拍下木星环的照片。研究所得照片﹐发现木星环有两个﹐外环较亮﹐内环较暗。内环几乎同木星的大气层相接。
参考书目
陈道汉等﹕天王星环的发现及其挑战﹐《自然杂志》﹐创刊号﹐1978。
F. D. Palluconi and G. H. Pettengill eds﹐ The Rings of Saturn﹐NASA﹐Washington﹐1975.