土星及其系统
第七节 土星及其系统
在所有的行星当中，土星的大小和质量仅次于木星，其围绕太阳的公转周期是29年半。当这颗行星可以看见时，观察者基本上都能轻易认出它来，因为它散发着淡红色的光芒，并且不像恒星似的不停闪烁。
尽管土星没有木星明亮，但是土星环使其成为太阳系中最绚丽的行星。土星环在天空中是独一无二的，难怪早期使用望远镜的观测者觉得它是一个谜。土星环在伽利略看来像土星的两个把手。一两年之后，他却看不到光环了。出现这种情况的原因是，土星在轨道上运行时光环侧面转向地球，伽利略使用的不够完备的望远镜看不到那么薄的环。土星环消失给这位托斯卡纳的学者造成了巨大的困惑，据说他唯恐自己在这项观测上产生幻觉而停止观测土星。后来他年事渐高，将继续观测的工作交给了其他人。那两个像把手的光环自然很快又出现了，但人们却无法知晓它们是什么。40多年后，荷兰伟大的天文学家及物理学家惠更斯解开了这个谜团，他宣布土星四周围绕着一圈很薄的环形平面，与其本身没有任何接触，并且与黄道一样是倾斜的。
土星的卫星
除了光环，土星周围还有9颗卫星——数量比其他任何行星都多。人们一直怀疑存在第十颗卫星，不过这一猜测仍然有待证实。[1]这些卫星的大小以及到土星的距离都不尽相等。其中一颗名叫泰坦（Titan），用小型望远镜即可看到；其中最微弱的一颗只能用倍数非常大的望远镜才能看到。
泰坦是惠更斯在研究土星环的本质时发现的。还有一段小故事在惠更斯书信出版后才为世人所知。按照当时的惯例，这位天文学家试图保护自己的成果而没有将这一发现公之于众，他将其隐藏在字谜，即一串字母中，需要恰当排列读者才可领会土星伴侣的公转周期是15天。他将这个字谜寄给沃利斯（Wallis）——英国一位杰出的数学家。沃利斯在回信中感谢惠更斯对他的关注，并表示自己也有一些要说的，于是他写了一串字母，比惠更斯那串更长。惠更斯向沃利斯解释了自己的字谜，沃利斯立即回复了自己的谜底，令惠更斯惊讶的是谜底竟然是与自己完全相同的发现，只是语言表达不同而且更长。原来，沃利斯是一位密码专家，他破译了惠更斯的发现后想表明字谜是徒劳的，于是设法用自己编排的字母表述了这一发现。
土星环的变化
巴黎天文台（Paris Observatory）始建于1666年，是路易十四统治时期重要的科研机构。在这里，卡西尼发现了土星环的裂缝，揭示出土星环实际上由内外两个环构成，二者在同一个平面上。其中外圈的环看起来似乎也有一个裂缝，叫作恩克环缝，是以首位发现这个裂缝的天文学家的名字命名的，但是这个裂缝的确切本质尚不明确。可以确定的是，这个裂缝不像卡西尼环缝那样清晰可辨，只是一道淡淡的暗影。
卡西尼环缝将土星环分成里层和外层两个环，外层环较窄。在外层环上能看到灰白色的恩克环缝，没有卡西尼环缝清晰也更加难以看到。内层环在内侧边缘逐渐暗淡，内侧灰白色的边界叫作暗环。暗环由哈佛天文台的邦德首先指出，长期被认为是一个单独的不同的环，但是仔细观察发现事实并非如此。暗环连接着其外侧的环，只是逐渐暗淡而成为暗环，如图35所示。
图35 土星环详图
土星环与土星运行的轨道面夹角大约为27°，其在土星围绕太阳公转的过程中在太空中保持相同的方向。这种情况的效果图参见图36。当土星在A点时，太阳在土星环的北面（上方）。7年后，当土星在B点时，土星环与太阳侧面相对。经过B点后，太阳在土星环的南面（下方），太阳的倾斜角度逐渐增大，至土星到达C点达到最大值——27°。此后随着土星向D点运动，太阳的倾斜角度逐渐减小，在D点土星环与太阳再次侧面相对。从D点到A点，太阳再次位于土星环的北面。
图36 土星环环绕太阳透视图（土星环平面的方向不变）(https://www.daowen.com)
地球距离太阳比土星距离太阳近很多，以至从地球上观测土星环与在太阳上观测土星环差不多。我们会连续15年看到土星环的北面，而在这段时间的中期视角最好。此后年复一年，视角逐渐变窄，土星环逐渐以侧面对着地球，直至看起来只是一道线穿过土星，或者可以说土星环完全消失了。随后土星环再次展开，过15年再次消失。1892年土星环消失，1907年再次消失。
了解了土星环的实际形状，便能够理解它们呈现给我们的面貌。我们看到的土星环永远是倾斜的，角度从不大于27°。土星和土星环的总体轮廓如图37所示。观测土星环的视角较大时视野最好，此时环缝和暗环都能看得到。土星在土星环上的阴影是一个深色的缺口，土星环在土星上的阴影像内环的边一样是一道穿过土星的暗线。
图37 倾斜的土星环
土星环是什么
当天体运动也遵循地球上的力学定律这一观点得到广泛认可时，土星环引发了另外的难解之谜——是什么使土星环端居其位？是什么使土星不接近内环导致“物质毁灭和世界崩溃”，进而毁掉整个美丽的结构？人们一度认为液态的光环可以阻止这种事情发生，后来发现情况并非如此。最后终于弄清土星环并不是紧密相连的一个整体，而是微小的物体云集在一起，或许是很小的卫星，或许只是像砾石和灰尘一样的微粒，或许是一片烟雾。这个观点已经得到认可，但是长期缺乏直接的证据。最后基勒（Keeler）用光谱仪证明了这个观点。他发现，土星环的光线展现出的光谱中，深色的谱线不是径直穿过，而是发生弯曲或折断，从而表明构成土星环的物质以不同的速度围绕土星旋转。外侧边缘旋转得最慢，越往里速度越快，若有卫星围绕土星旋转，那么土星环每一处的速度都与该处卫星的速度相同。这个出色的发现是在宾夕法尼亚州匹兹堡附近的阿勒格尼天文台得出的。
土星的卫星系统
惠更斯在宣布发现土星卫星泰坦之时就高兴地认为太阳系至此完整了。当时在太阳系一共发现了7颗大的行星和7颗小的卫星，二者的数字神奇般地一致。但是，在随后的30年里卡西尼打破了这个神奇的数字，又发现了4颗土星卫星。此后过了100年，伟大的赫歇尔再次发现两颗土星卫星。在1848年，邦德在哈佛天文台发现了第八颗土星行星。
下面是土星9颗卫星的信息列表：
这个表中最值得关注的是卫星到土星的距离相差非常大，以及靠内侧4颗卫星公转周期之间的关系。里层的5颗卫星似乎形成了一个集团。这个集团与相邻的集团之间有一个间隔，距离超过最里层那颗卫星的宽度，之后是另一个集团，由两颗卫星组成，分别是泰坦和海波龙。接着是一个比海波龙距土星的距离还宽的间隔，这个间隔外面是亚珀图斯。
土星卫星的公转周期之间也有着奇特的关系：土卫三的公转周期几乎是土卫一公转周期的2倍，土卫四的公转周期差不多是土卫二公转周期的2倍，泰坦的四个公转周期与海波龙的三个公转周期简直完全相等。
上述最后两颗卫星之间的关系缘于二者引力奇特的相互作用。为了说明这个问题，我们画了一幅二者的运行轨道图，如图38所示。
图38 泰坦和海波龙的运行轨道及其相互关系
其中外圈是海波龙的轨道，偏心率非常大，参见图示。假设这两颗卫星在某一时刻会合，里层较大的卫星是泰坦，在A点，位于外层的海波龙在a点。65天后，泰坦将公转三周，海波龙将公转四周，这使二者再次会合，不过会合点不是恰好在上次会合的那个点，但是非常接近。此时，泰坦已到达B点，海波龙到达b点。第三次会合时，二者将在直线Bb上方一点，以此类推。实际上，会合点比图上显示得还密集。在19年的时间里，会合点将慢慢走完一圈，两颗卫星将再次会合于直线Aa上。
会合点做缓慢圆周运动产生的影响是，海波龙的轨道，或者更确切地说是其轨道长轴也随着会合点做圆周运动，因而会合总是出现在二者轨道相距最远的地方。图38中的虚线体现了海波龙的轨道在9年的时间里发生了怎样的移动。
这个运动的有趣之处是，就目前所知它是独一无二的，太阳系中其他地方没有类似的情况。
不过或许土卫一和土卫三之间以及土卫二和土卫四之间也有非常相似的相互运动。
土星环和卫星的物质之间的相互吸引还有一个更加引人关注的特点，即所有这些天体中除了最外面的一颗卫星，其他都恰好在一个平面上。如果没有什么与太阳的引力相抵，那么几千年后，这些天体将在太阳引力的作用下分散到不同的轨道上，并与土星轨道保持相同的倾斜度。然而由于它们之间的相互引力，其轨道面都保持一致，仿佛牢固地依附于土星似的。另外还有一点值得注意：土星最外层的卫星自东向西公转，这一情况和木星外层的两颗卫星相同。
土星的物理结构
土星的物理结构与相邻的木星的物理结构有着明显的相似之处：二者都因为密度小而引人关注，土星的密度甚至小于水的密度。另一个相同点是高速自转，土星的自转周期是10小时14分钟，比木星的自转周期稍微长一点。土星表面似乎也因为云雾而千变万化，与木星相似，不过相比之下更暗，所以看不清楚。
木星密度小的可能性原因同样适用于土星。土星可能有一个相对较小但是质量很大的内核，包围在巨大的大气层中，我们所看到的只是土星大气层的表面。
[1]截至2019年10月12日，已发现82颗土星卫星。
