►卡西尼-惠更斯号于2006年9月15日拍得的土星环全貌（这张图中的亮度被强化了）。来源：NASA/JPL/Space Science Institute

撰文 | 张天蓉（美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士）

责编 | 寒凌旭

审校 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）

          郑永春（中国科学院国家天文台副研究员）

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当伽利略第一次把他自制的望远镜指向天空时，该有怎样激动？我们现代人可能很难体会他当时的心境。他的确很了不起，作为人类的普通一员，能够第一次欣赏到这么多的“地球之外”的美丽，足够引为自傲了！

►图1：地球人观察土星环

不过，1612年的伽利略很生气，因为他从两年前就一直观察到的土星的“两只耳朵”突然消失不见了！这个倒霉的事件甚至使他在这一年宣布说“放弃”对土星的观测，将他的望远镜指向了别的星球。

但公开宣称“放弃”并不等于绝对不看，科学家的好奇心毕竟强过自尊心，况且，伽利略在潜意识中坚信土星的那两只耳朵一定会再回来的，所以，他经常还是会偷偷地往那个方向“瞄上一眼”。果然不出伽利略所料，1616年，耳朵又回来了，是什么原因呢？惊喜之下又带给物理大师无尽的困惑……

现代天文学的观点，是很容易解决伽利略的困惑的。人类早就知道伽利略看到的不是什么土星耳朵，而是如今人人皆知的“土星环”。土星和土星环都在不停的运动中，这个薄薄的环面相对于地球观察者的角度也在变化。

如图1b所示，当环面比较“正面”地朝着地球，人类看到圆盘的大部分，当环面侧面对地球的时候，从地球上看起来是一条线，伽利略望远镜的分辨率不够高，将正环面都看成了“耳朵”，当然更不可能看见这条细线，所以产生了“耳朵消失又回来”的错觉。土星绕着太阳公转的周期是29.45年，其中有两次侧对地球，因此，地球观察者观测到土星环形状变化的周期，大约是15年左右。

图1a显示了人类对土星环认识的历史变迁，惠更斯在继伽利略看到“耳朵”的50年后，使用更大的望远镜，认识到那是与土星分离的、围绕在土星周围的一个“环”，又过了十几年，卡西尼不仅确定了这是个环，还看清楚了环不止一个，起码是由中间夹着一条窄缝的两个圆盘状的又薄又平的“分环”组成的。为纪念卡西尼的发现，后人将这一条分开A、B两环之间的狭缝命名为“卡西尼缝”。到了2006年，由卡西尼-惠更斯土星探测器拍摄的土星环照片，进行一定的强度色彩处理后，是一幅既美丽浪漫又精致详细的“童话”似的图案。

然而，你要是坐在卡西尼号上，真正在近处把土星美丽的光环仔细看了个一清二楚的话，心中的童话世界可能要破灭了！那个看起来细薄如光碟、飘渺如轻纱般的“环”，原来是由大量冷冰冰硬邦邦的尘埃、冰粒和石块组成的，近距离看来，似乎毫无美丽浪漫可言（图2a），并且，在太空中飘荡的卡西尼号还得小心，防止被这些大石块“砸死”。

►图2：卡西尼号观察土星环

如此看来，土星环并不是一个真正的“固态环”，就像银河不是“河”一样，看不清楚时，人们才把它们描述成“河”或者“环”。第一个认识到土星环不是一个整体环的人是麦克斯韦。那时的麦克斯韦还年轻，只有二十几岁，尚未成为“电磁学之父”。他开始研究土星环，是因为之前的大多数科学家公认的“土星环固体模型”遭遇困难。行星边上一个均匀刚性环的运动，在动力学上是不稳定的，任何轻微的扰动都会导致环的分崩离析并落向土星。

麦克斯韦仔细地研究了各种固体环模型的稳定性条件，经过对引力和离心力的严格数学计算，排除了土星环的整体“固态模型”和“液态模型”，确定稳定的土星环成分只有一种可能性：由数个可分离的部分（小固体碎片）聚集而成。

根据我们对土星的最新了解，土星环是由A-G七个主要环带组成的，如图3所示。其中的A、B、C……等，是以发现的循序命名。

►图3：土星环和卫星系统（NASA/JPL/University of Arizona）

陆续被发现的众多环中，B环是最为显眼的，其上最明亮的部分就应该是当年伽利略认为和土星贴在一起的“耳朵”。A环的亮度次之。在B环以内是后来发现的较暗淡的C环和D环。F环于1979年被先锋11号发现的，照片上看起来像一条细细的铁丝圈，嵌在A环的外侧边缘，但实际上它位于A环的3000公里之外，非常细小和密集，只有数百米宽。

F环是太阳系中最活跃的行星环，貌似简单的一条线，实际却具有数个小环互相纠缠形成的复杂结构，其结构以小时为时间尺度变化。G环是非常薄与黯淡的环， E环位于最外层，散布宽广，开始于土卫一，结束处已经达到土卫五（丽亚）的轨道附近。

土星环除了7个主环外，其间还有许多小环带和狭缝，可谓是：环中有缝，缝中有环，环缝相扣，趣味无穷。此外，即使你从卡西尼号上面观测，也不能否定这个环的确是特别地“薄”！它的直径不小于25万公里，厚度却顶多只有1.5公里左右。

卡西尼号还观测到在薄薄的垂直（厚度）的方向上，也存在一定的“结构”。这点不难理解，既然这些“环”并非刚性固体，其中的冰块及碎片必定处于不停的运动中，这些运动主要是被行星等的引力所主宰，一定的条件下也有电磁力在起作用。运动的方向除了受旁边的行星、卫星等轨道运动的影响之外（下面会介绍），朝着四面八方，包括与环面垂直方向的随机运动在所难免，从而造成了竖直方向上的“结构”。结构具体细节如何、形成的原因以及遵循的规律，都是天体物理学家们研究的对象。

望远镜是人类视力向太空的延伸，仅仅凭着人的眼睛，很难观察到土星环。伽利略、惠更斯等人借助于越来越大的望远镜，确定证实了土星环。那么，太阳系中其它行星是否也有环呢？

在上世纪90年代末期，天文学家陆续发现了天王星、海王星、木星等气态行星，都有围绕它们的“环”，并且每一个行星环都不一样，各有其特色（图4a和图4b）。冥王星是否带环，还尚无定论，也许新视野号对它的探测会给我们一个意外的惊喜。

有趣的是，土星的一个卫星-Rhea（丽亚，或称“土卫五”）也可能有一个稀薄的环系统，见图5。这是太阳系中迄今为止发现的唯一一个（可能）带环的卫星。

►图4a：四大外围行星 “环”的复杂程度及大小之比较 

►图4b：太阳系的气态行星和它们的行星环

以上说丽亚环系统“可能存在”，是因为尚未能被拍摄到的影像直接证实，而是根据其他物理现象得到的推论。

2005年，卡西尼号发现土星的磁气层在丽亚附近有高能量的电子。有人认为最好的解释就是假设丽亚的赤道附近存在盘面状的“环”，能够将电子吸附在其中的固体物体上。如果按照这个模型来解释磁气层的电子问题的话，这些相对密集物体的大小可能从几厘米到1米左右，而可能的环面则有3个。

►图5：丽亚环和小行星的环（艺术家想象图）

2014年，巴西国家天文台公布一项新发现：土星与天王星之间的一个名为（Chariklo）（中文名“女凯龙星”，或“查理洛”）的小行星周围，环绕着一个行星环。

这是人类首次在太阳系内部发现的小行星环系统，其中包含两道狭窄但密集的环，宽度分别为6到7千米和2到4千米，相距9千米左右。查理洛小行星大小只有260公里，是太阳系的“带环者”中个头最小的天体。不过，查理洛在半人马小行星中算是大的。

丽亚环和查理洛环的发现带给天文学家们惊喜，这才知道不仅仅大行星有环，小行星或者卫星也可以有环。那么，什么样的天体可能会携带环系统？行星环是如何形成的？行星环为什么能稳定地存在，不会四处散开？这其中有哪些物理规律在起作用？希望下面的介绍能够为你解答部分疑惑。

上面说到，美丽的行星环细看时好像失去了美感。但实际上，在天文学家的眼中不是这样的，你看得越清楚，就对它越着迷，他们看到的不是干瘪的石头，是美妙多变的“西施”。此外，如果你仔细地研究行星环的形成过程、运动规律，你更会被其中的物理及数学之美所震撼，越深入下去，便越体会到科学的无限趣味和理论之美。

你可能想象不到，宇宙中的星体之间，也在不停地进行着一场“无言的战争”。

它们主要的武器是万有引力以及因运动而具有的离心力，利用引力打击其它天体，利用引力来吸引小物体壮大自己。生物界的“大鱼吃小鱼、小鱼吃虾米”，在宇宙中则变成了“大星吞小星，小星吞石头；大星撞小星，小星变石头”。大大小小的天体在激烈的争夺战中互相碰撞、排离、破碎、吸引，达到一个我们所见到的所谓“平衡和谐”的宇宙图景。

天体力学中用“希尔球”的概念，来描述这种短暂平衡下天体之间各自霸占的“势力范围”。

希尔球，以美国天文学家威廉·希尔（William Hill，1838年－1914年）命名，粗略来说，是环绕在某天体周围、能够被它所控制的（近似球形）空间区域，如图6a所示。

以太阳系为例，太阳因其最大的质量有一个大大的希尔球，所有绕日旋转的行星轨道都应该在太阳的希尔球以内。每一个行星也有它自己的引力场范围，是它的引力与太阳的引力抗衡所争夺而得的“地盘”。比如说，地球能够保持月亮作为它的卫星，而不是太阳的卫星，月亮一定是在地球的希尔球以内。图6a中的实线代表引力等势面，因此，围绕每个星体的完整圆圈（实际上是3维空间中的球面）基本代表了该天体的引力场所及的范围。

►图6：希尔球

不难直观理解，每个行星希尔球的大小与行星及恒星（太阳）的相对质量有关，行星质量越大，它抢到的地盘（希尔球）当然越大。

此外，离太阳的距离也是一个重要的因素。距离太阳越远的行星，太阳对它难以控制，它便趁机扩大势力范围，网罗了众多的卫星，组织大家族搞独立王国。

图6b表示的是八大行星的希尔球半径，由图可见，4个外围大行星的希尔球半径比里面4个的大了2-3个数量级。然后，根据下面列举的事实：木星和土星的（天然）卫星数目都在60个以上，地球却只有一个孤零零的月亮；内圈行星没有环，外圈4大行星都带环。应用刚才介绍的希尔球概念，相信你已经不难给这些现象一个简单的物理解释。

希尔球有时也被称为洛希球，因为在这方面的最早工作来自于法国天文学家艾伯特·洛希（Albert Roche，1820年-1883年）。

洛希的另一个著名工作是洛希极限，这个极限值与行星环的形成过程直接有关。

在之前的文章中曾经介绍过潮汐力，指的是天体对其附近物体的不同部分产生的引力大小不同而对该物体造成的某种影响。比如说，月亮对地球的潮汐效应表现为海洋的涨潮落潮；地球对月亮的潮汐力则将月亮的自转公转周期锁定，使得总以同一面对着地球。有关黑洞的科普或科幻读物则会经常提到：黑洞附近强大的潮汐力会将掉入其中的爱丽丝撕得粉碎。

即使不是黑洞，巨大天体附近的物体如果靠天体太近，也会因为潮汐力而分崩离析成更小的部分。什么距离算是“太近”呢？这个距离界限就叫做“洛希极限”。

►图7：用洛希极限解释行星环的形成过程

洛希描述了一种计算物体（卫星）被潮汐力扯碎的极限距离的方法，如果卫星与行星的距离小于洛希极限，便不能靠自身的引力保持原有的形状，会因潮汐力而瓦解。洛希的理论可以用来粗略地解释土星的行星环是如何形成的，见图7。

洛希极限值除了与行星及卫星的质量有关外，还与构成卫星的物质材料，比如说：是固态物质为主还是液态物质为主，以及具体的密度分布等因素有关。这些因素也决定了环内“碎片”物体的大小。对一般常见的固态卫星而言，洛希极限大约是行星半径的2.5倍到3倍左右。

因此，大多数的行星环都在洛希极限以内，但并非绝对的，还与行星环形成的历史过程有关。比如，从图3中标志的洛希极限的位置，土星的G环和E环都在洛希极限圈之外。

洛希极限说明，在一定的条件下，卫星将崩溃成碎片从而有可能形成行星环。然而，形成了行星环之后，尽管环中的碎片和冰块互相不停地碰撞，但是整个环却能够基本保持一个稳定的形状围绕行星旋转，为什么这些碎片不四处散开而能够长年累月地聚集在环中呢？

这个问题可能很复杂，有可能对不同的环有不同的答案。在对土星环的研究中，科学家们发现一个很奇特的现象：环的稳定性与附近某个（或两个）卫星的运动紧密联系、息息相关。

换言之，行星环看起来“稳定”的形态是与离它不远的某些卫星的运动有关的。天文学家将此类卫星叫做“守护卫星”，或“牧羊卫星”。它们充当着“环场指挥”的角色，像是放牧时奔跑于羊群周围负责警卫的牧羊犬，又像是带领一群孩子到野外郊游时维持次序避免小孩丢失的幼儿园老师。当环中某个“不守规矩”的物体企图冲到“环”外时，“牧羊卫星”可以利用自身的、相对而言较大的引力，将这个“顽皮分子”拉回到队伍中！

“牧羊卫星”一般是行星卫星中较小偏中等的。这也是天体间“引力竞争”的结果。更大的卫星不屑于“牧羊”，自己独成一体；太小的卫星，引力不足以管理别人，有时还被环中的物体偷袭一下，撞击出的更小碎片往往反过来成为环中物质的来源。不过，土卫二是个反例，它的质量足够大，却是E环的物质来源。

土星环的结构复杂，发现的“牧羊卫星” 已经有好些个。举土星那条细细的F环为例，在它的内圈和外圈，分别有两颗守护（牧羊）卫星：普罗米修斯（土卫十六）和潘朵拉（土卫十七），见图8和图9。

►图8：牧羊卫星

普罗米修斯的直径只有86公里左右，在F环的内圈，公转的速度（周期0.61天）比外圈大小相仿的潘朵拉（100公里，周期0.63天）更快。而F环内物体的速度则介于两颗守护卫星的速度之间。

行星环中的物体（粒子）经常会互相碰撞，比如像比较密集的土星B环，环绕土星一圈的过程中应该要撞上好几回，能量和角动量都因为这些碰撞而散失和重新分配。F环虽然更稀疏，也免不了碰撞。

其中的具体力学过程很复杂，但因为内圈的粒子跑得比外圈的要更快，碰撞的结果会降低内圈粒子的速度使它没有足够的离心力维持原有的轨道而企图坠入行星，反之，外圈因得到能量而企图逃逸行星。看起来，总的效果将会使得原来的环向内外散开。不过，粒子互相散开需要时间，不是立即就发生的过程，当它们还来不及散开的时候，牧羊卫星过来了，它们的引力比较起环内粒子的引力来说，要大很多。如图8所示，内沿的普罗米修斯将内圈要坠毁的粒子拉住，向行星之外推，潘朵拉的引力则将外圈想逃逸的粒子抓回来，总的便达到了守护羊群避免散失的效果。

奇怪的是，牧羊卫星对环中粒子的引力所产生的影响有点类似某种“排斥”：将轨道比它更“内”的粒子向内推，将轨道比它更“外”的粒子向外推，都是推向卫星自己的轨道的反方向。

由上所述，普罗米修斯和潘朵拉“一内一外”守护着F环中的“羊群”，还有另一个有趣的卫星“潘”（pan，土卫十八），则守卫着一条缝（恩克缝），见图9b。

潘的直径只有20公里，公转周期0.58天。就动力学原理而言，守护“缝”与守护“环”的道理是类似的，不必在此赘述。也就是将内环（或外环）的粒子向自己轨道的反方向推，因而便“清扫”出了一条缝来，使得恩克缝的宽度维持在300公里左右。

►图9：普罗米修斯和潘朵拉守护F环， “潘”守卫恩克缝

我们对行星环的物理机制仍然知之甚少，有待进一步的观测数据和理论模型。

例如，卡西尼号发回的最新资料，与刚才的说法就有点不同，对F环而言，起着守护作用的似乎主要是普罗米修斯，没有看出很多潘朵拉对F环的影响。普罗米修斯的运动不仅警卫F环中的粒子，还改变F环的形状，见图10。普罗米修斯也并不是规规矩矩地只在F环以内自己的轨道上运转，有时还穿到F环的粒子中间去“忽悠”一会儿，是个十分有趣的“牧羊犬”。

►图10：普罗米修斯对F环的扭曲（卡西尼号）

美丽的行星环就讲到这里啦，请期待下一篇：航天中的灾难。