书城科普宇宙未解之谜(世界未解之谜精编)
17128300000011

第11章 土星之谜

光怪陆离的土星环

在太阳系的九大行星中,除土星外,天王星和木星也都具有光环,但它们都不如土星光环明丽壮观。

在望远镜里,我们可以看到三圈薄而扁平的光环围绕着土星,仿佛戴着明亮的项圈。

说到土星光环的发现,不得不提到伽利略。他的自制望远镜捕捉到土星两边侧面好像有小星忽闪不定,变幻莫测。但直到他去世,也没弄明白这到底是怎么回事。他万万没想到他成为第一个“发现”土星光环的人。

第一个宣布土星具有光环的是荷兰天文学家惠更斯。惠更斯在半个多世纪以后,用更大更好的望远镜看到了土星光环。他还解释了伽利略的疑惑。惠更斯认为,土星环形状不断变化,当我们恰好从它侧面看过去时,薄薄的光环仿佛就隐没不见了。

卡西尼是17世纪末、18世纪初的意大利著名天文学家,他在1675年,于土星环的光辉中发现土星环中有一圈空隙。在质量稍好一点的土星照片上,这个缝隙是很清楚的。他所发现的这个缝隙,被命名为“卡西尼环缝”。这个环缝把光环分成外环(A环)

和亮环(B环)。

1850年,注意到B环内侧还有暗环(C环),在非常清晰的照片上看到的C环只稍微暗一点。

由A环、B环、C环就构成光环的主体,分别叫外环、中环、内环。

1966年,发现了C环内侧更暗的D环。

1969年,发现了A环外侧又有层E环。

D环几乎向内触及到土星表面,E环延伸到5~6个土星半径以外。

1979年,“先驱者11号”发现A环外有新环-F环。

1980年,在远离土星中心10~15个土星半径的广阔空间,“旅行者1号”又发现了G环。

土星环的环数不断增加,越来越多……但光环的发现远远没有结束。

“旅行者1号”和“旅行者2号”在远征太阳系深处的旅途中飞越土星,发现了土星环鲜为人知的内在秘密。

它们发现,土星光环是环环相套,远远不止7个,而是成千上万个,数目繁多。看上去更像一张硕大无比的密纹唱片上那一圈圈的螺旋纹路。

土星光环结构复杂,千姿百态。卡西尼环缝不是中空的,在环缝中密密地排着20多条细环;每个环又包括若干细环,A、B、C环是由几百乃至上千条细环所构成的,F环至少由3条细环所构成,其中两条像女孩的发辫一样相互扭结着。大部分的光环是光滑匀称的,但还有的环是锯齿形状,有的环如辐射状等,形形色色的土星环让人眼花缭乱。

所有的环都由大小不等的碎块颗粒组成,大小相差悬殊,大的可达几十米,小的不过几厘米或者更微小。

它们外包一层冰壳,由于太阳光的照射,而形成了动人的明亮光环。

土星光环除了明亮还又宽又薄。

土星环延伸到土星以外辽阔的空间,土星最外环距土星中心有10~15个土星半径,土星光环宽达20万千米,可以在光环面上并列排下十多个地球,如果拿一个地球在上面滚来滚去,其情形如同皮球在人行道上滚动一样。

土星光环又很薄。我们在地球上透过土星环,还可见到光环后面闪烁的星星,土星环最厚估计不超过150千米。所以,当光环的侧面转向我们时,远在地球上的人们望过去,150千米厚的土星环就像薄纸一张——光环“消失”了。每隔15年,光环就要消失一次。

奇异的土星光环位于土星赤道平面内,与地球公转情况一样,土星赤道面与它绕太阳运转轨道平面之间有个夹角,这个27°的倾角,造成了土星光环模样的变化。我们会一段时间“仰视”土星环,一段时间又“俯视”土星环,这种时候的土星光环像顶漂亮的宽边草帽。另外一些时候,它又像一个平平的圆盘,或者突然隐身不见,这是因为我们在“平视”光环,即使是最好的望远镜也难觅其“芳踪”。在1950~1951年、1995~1996年,都是土星环的失踪年。这也难怪伽利略纳闷了,却也证实了惠更斯设想的正确。

土星光环不仅给我们美的享受,也留下了很多谜团。目前还不知道组成光环的这些物质,是来自土星诞生时的遗物呢,还是来自土星卫星与小天体相撞后的碎片?土星环为什么有那么奇异的结构呢?这些都是有待科学家们研究探讨的难题。

卫星大世界

土星的卫星共有23个,是太阳系当之无愧的卫星大家族。

在20世纪70年代,能在地面上发现的卫星都已找到了,那时候,土星有10颗卫星,还排在木星的后面(当时发现木星有12颗卫星)。短短20多年,卫星的数目翻了1倍多,这是为什么呢?

20世纪70年代以来,太阳系探索已经进入新纪元——派遣宇宙飞船进行近距离考察,甚至登陆行星。我们对各大行星的认识翻开新的一页,各个行星,也展露真颜,各自卫星的数目一再改写。迄今为止,土星以23颗卫星之势一跃而起,荣登太阳系第一大卫星家族的宝座。

我们回顾一下飞船“寻卫”的历程:美国“先驱者11号”首立新功。1973年4月上天的“先驱者11号”于9月到达土星,不但证实了以前推测的土卫十一的存在,而且发现了土星新卫星——土卫十二,因此,土卫十二为纪念这一功绩,特起名“先驱者号”。

美国“旅行者2号”和“旅行者1号”再建奇功。

——1977年8月和9月腾空而起,它们从1979年3月开始先后飞越木星、土星和天王星。“旅行者2号”还在1989年8月飞掠海王星。这两艘飞船在考察行星同时先后发现的新卫星多达30颗。属于土星的有11颗,其中“旅行者1号”在1980年10月26日和11月10日,发现5颗卫星,“旅行者2号”在1981年8月25日,又发现6颗卫星。属于木星的有3颗,属于天王星的有10颗,属于海王星的有6颗。

以上3只探测器到达过土星,但只是飞掠,未作长久逗留。

1997年10月15日,“卡西尼”号开始了奔向土星的旅程,经过7年的长途跋涉,将于2004年7月飞临土星,进入绕土星运行轨道,并且将对土星及卫星进行深入研究。“卡西尼”计划无论从科学项目、飞行时间、飞行路线还是飞船结构来看,都堪称20世纪最大的一次行星考察计划。我们正期待带来更多关于土星及卫星的信息,让我们更清楚地目睹卫星的风采。

土星的卫星翻了番,太阳系的卫星世界也热闹起来,现已知卫星总数66颗,还没包括有光环的那几颗行星——木星、土星、天王、海王可能存在的更小的卫星状天体。

在众多的围绕土星的卫星中。最外面的一颗是土卫九。土卫九到土星的平均距离是1300万千米,相当于月球到地球距离的35倍。

绕土星运行一周需费时550天。土卫九不仅最远,行动也不讲规矩,它沿着“错误方向”进行,是逆行的。在众多卫星兄弟们整齐统一的前进方向中特别“别扭”。太阳系绝大多数卫星围绕中心行星运行的方向,都与这些行星的自转方向相同,行星也以这个方向绕太阳运行。然而土卫九却是少数几颗反其道而行的卫星之一,看上去它围绕土星向后面退行。距土星最近的是土卫十五,它与土星距离约13.7万千米,只是月地距离的1/3,仅为卫星到土星中心的2.3个土星半径;公转周期也短,只有0.601天。

换句话说,绕巨大的土星转一圈,半天多一点就足够了。

有趣的是,23颗形形色色的卫星,并不是每星都有资格拥有专用轨道的。土卫四和土卫十二共用一条轨道,土卫十和土卫十一都也同处一个轨道,而土卫三、土卫十六、土卫十七则三星共行在一条轨道上。土星卫星和光环也很有“缘”,土卫十三和土卫十四就分居F光环的里侧和外侧,把光环夹在中间,它们像牧羊人保护羊群一样,由此得到一个动听名字“牧羊人卫星”。

土卫六与45亿年前的地球极为相似

土卫中最大的一颗是土卫六。过去一直认为它是太阳系最大的卫星。通过“旅行者1号”发回的数据,发现土卫六的直径是5150千米,比木卫三(直径5276千米)小,从此才改变了过去的看法。土卫六退居第二位,但仍然比冥王星大(3600千米),也比水星大(4880千米)。自从1665年,荷兰天文学家惠更斯发现土卫六和丙烷等碳氢化合物。

以来,它一直是人们关注的天体之一,西方人叫它“泰坦”。泰坦表面有一层厚厚的大气,比地球大气厚10倍,是太阳系所有卫星中惟一有浓厚大气的卫星。大气中99%是氮气,在太阳系天体中含氮最多,其余1%是甲烷、乙烷泰坦表面的条件与45亿年前的原始地球极为相似。浓密的大气在高能粒子和紫外线的作用下,会发生一系列化学反应而生成其他复杂的有机分子。大气中的这些有机分子聚集多了以后会逐渐落到泰坦表面。这一过程将与早期地球生命形成的情形相似。因此,科学家们希望那里有生命存在。不过,泰坦表面温度太低,似乎不利于生命存活,大气高层温度在零下100℃,中层比上层还要冷,下降到零下210℃,到低层大气则上升到零下18℃,表面温度还没有准确地测出来。如果能考察泰坦上甲烷和氮的化学变化过程,特别是能不能合成大分子有机物,无疑会对了解地球早期生命的诞生过程具有重要意义。

谁来完成这个重要任务呢?

“卡西尼”号土星探测计划把研究泰坦列入主要内容,是美航空航天局和欧洲空间航空局的合作项目。卡西尼不仅发现土星环缝,还发现土星的4颗卫星,并预言土星环由小颗粒组成,这个预言后来将得到证实。

“卡西尼”号将携带着陆器实地考察土星和它的卫星。

除土卫六外,土卫八也颇有特色。随着土卫八围绕土星作轨道运动,它的亮度会发生显著变化,它在土星西边比东边亮两个星等,这是因为土卫八一个侧面能强烈反射太阳光,另一个侧面没有光泽而发暗的缘故。有人风趣地称之为土卫八的“一对阴阳脸”,土卫八的奇观现象,也引起科学家兴趣。

经“旅行者2号”观测,较亮的一部分有大面积冰层,这一点和许多土卫相似。较暗一面有类似陨石中的碳化物覆盖,较暗的一面如何形成的,则各说不一。一种说法是由火山活动造成的,还有说法是吸收了土卫九抛出的物质而形成。物斯顿大学的泰贝经过研究,否定了上面两种说法:①如果是火山爆发冲出小物质填满盆地,而使土卫八一面变暗。那么,这一面应该在面向土星的一面,而现在暗面却在背向土星一面。

②如果说是吸收了土卫九物质也存在疑点。从颜色上看,土卫九是黑色,土卫八暗物质吸红;从距离上看,土卫九距土星比土卫八距土星远3倍,土卫九的喷射力关系与土卫八似乎不致有密切关系。

从运行轨道看,土卫九是逆行卫星,土卫八顺行卫星。二者看来关系不大;于是科学家们自己的看法是:大约在1亿年前,土卫八被慧星撞击,导致水分消散了,但在以后的100万年里,暗物质重新聚集到前半球上……

看来,至于土卫八真面目是什么?也要留待天文学家们继续探索。

我们也期待21世纪有更多的宇宙飞船探测计划,能解开庞大的土星世界的疑迷。