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引人注目的土星環究竟是如何形成的?萬有引力竟無法解釋土星環

神秘的土星環

土星環可說是宇宙中一切奇特、不可思議之事物的象徵。 我們看得愈清楚, 就愈著迷。 過去20年關於土星環的發現幾乎全盤推翻了以前的知識,

一個全新的環系統出現了, 既複雜又有趣, 超越了過去的理論、觀測或想像。

土星以外的大行星也有環, 而且全都不一樣。 即便以天文學的標準而言, 行星環還是很奇特的東西。 它們是由一些既微弱又違反直覺的力量塑造而成, 例如在行星環裡, 重力反而會產生排斥物質的效應。 現在我們領會到, 那些我們曾經以為是靜態的行星環, 其實是不停地在變動發展;而我們也認清了衛星和行星環唇齒相依的關係;更重要的是, 我們還知道行星環不僅僅是個精緻的現象而已。 跟馬克士威一樣, 現代的科學家也體會到行星環與星系的相似之處;基本上來說, 行星環也是一扇視窗, 讓人類能深入探究太陽系古老的起源。

很早土星環就引起人類的注意。

伽利略於1610年頭一次窺見到土星環, 50年後由海更斯將它解釋為環繞著行星的圈圈, 而接下來三個半世紀則沒有別的發現。 然而一下子在七年之間, 科學家便發現另外三個大行星也各有其它的環。

第一顆是天王星;1977年, 康乃爾大學的艾略特在監視恒星的亮度時, 天王星正從前面掠過, 他注意到訊號在閃爍。 他推論那是一連串稍呈橢圓或傾斜的窄帶, 環繞著天王星所造成。 1979年, 航行者一號太空船觀測到木星模糊的星環。 最後在1984年, 科學家利用類似艾略特的技術, 偵測到海王星環的片段(但不是完整的環)。

在1980年之前, 土星環的結構完全都是使用萬有引力來解釋的, 直到航海家的影像呈現出B環上有被稱為輪輻的輻射狀特徵, 而這是不可能如此來解釋的。 因為它們持續的時間和自轉週期與依照軌道力學的環不一致。 這些輪輻在背景散射光下呈現黑暗, 而在前景散射光下顯得明亮。

土星的B環是所有環中最大、最亮與品質最多的。

它的厚度估計在5~15米, 品質在2.8 × 1019公斤, 光深度的變化在0.4至2.5之間, 意味著通過B環的光線有將近99%會被阻攔。 B環在密度和光度上的許多變化, 幾乎都還沒有獲得合理的解釋。 B環都是同心圓, 雖然其中有許多狹窄的小環, 但B環不包含任何的縫隙。

通常不透明的材料應該包含更多的物質。 例如, 泥濘的水比清澈的水有更多的灰塵顆粒。 同樣的, 你可能會認為在土星的光環, 更不透明區域包含物質的濃度比其他環高。 但這種直覺並不總是適用, 最近根據一個利用美國宇航局的凱西尼任務資料對土星環的研究中, 科學家發現了密集的環可能與物質的含量之間的關聯度並不大。

非常明亮的土星環。

土星的光環為何如此明亮和廣闊?

科學家分析了B環, 在幾乎不透明B環中心, 他們通過分析螺旋密度波確定了幾個地方的品質密度。 這是由土星的衛星的重力拉扯環粒子產生精細尺度的方法, 每一波的結構直接取決於位於土星環的品質。

莫斯科大學的凱西尼科學家馬修•海德曼:「目前這是很不明朗與等量物質的區域會有如此不同的陰影, 這可能是與大小或單個粒子的密度相關的物質有關,也可能有一些做的環結構」康奈爾大學,紐約凱西尼合作研究者菲爾•尼科爾森,參與海德曼的工作。尼科爾森說:「外觀可能是騙人的」。他提出一個很好的比喻是:「一個有霧的草甸是如何要比一個游泳池更不透明,即使池是密度和包含更多的水。」

美國宇航局噴氣推進實驗室凱西尼專案科學家琳達Spilker說:「土星環是那樣壯麗而凜然,這是我們無法抗拒的想知道他們是如何形成的。分析研究B環,是我們未來確認土星環的年齡和起源的一個有意義的方向。」

雖然所有在我們的太陽系(木星,土星,天王星和海王星)的行星都有自己的環系統,土星環顯然是最奇妙的。在解釋為什麼土星的光環是如此的明亮和廣闊,那就必須瞭解它們的形成和歷史,這將是一個巨大的挑戰。赫德曼和尼科爾森使用的新技術,由凱西尼可見光和紅外繪圖光譜儀的一系列觀測資料進行分析,因為它通過對一個明亮環觀測,結合其他環的觀察,測量它們明顯的環螺旋密度波。B環的總品質是出乎意料的低。這是令人驚訝的,因為B環比其他環亮10倍,但B環可能只有2至3倍A環的品質。

一直引人遐想的土星環

儘管赫德曼和尼科爾森發現低品質,B環仍然被認為含有土星環的大部分物質。並且,雖然本研究留下關於環的品質一定的不確定性,土星環的總品質的更精確的測量還在路上。此前,凱西尼號測量了土星的引力場,告訴科學家土星及其環的總品質。凱西尼或能幫助科學家最終揭示環的品質之謎,揭開美麗土星環之謎。

這可能是與大小或單個粒子的密度相關的物質有關,也可能有一些做的環結構」康奈爾大學,紐約凱西尼合作研究者菲爾•尼科爾森,參與海德曼的工作。尼科爾森說:「外觀可能是騙人的」。他提出一個很好的比喻是:「一個有霧的草甸是如何要比一個游泳池更不透明,即使池是密度和包含更多的水。」

美國宇航局噴氣推進實驗室凱西尼專案科學家琳達Spilker說:「土星環是那樣壯麗而凜然,這是我們無法抗拒的想知道他們是如何形成的。分析研究B環,是我們未來確認土星環的年齡和起源的一個有意義的方向。」

雖然所有在我們的太陽系(木星,土星,天王星和海王星)的行星都有自己的環系統,土星環顯然是最奇妙的。在解釋為什麼土星的光環是如此的明亮和廣闊,那就必須瞭解它們的形成和歷史,這將是一個巨大的挑戰。赫德曼和尼科爾森使用的新技術,由凱西尼可見光和紅外繪圖光譜儀的一系列觀測資料進行分析,因為它通過對一個明亮環觀測,結合其他環的觀察,測量它們明顯的環螺旋密度波。B環的總品質是出乎意料的低。這是令人驚訝的,因為B環比其他環亮10倍,但B環可能只有2至3倍A環的品質。

一直引人遐想的土星環

儘管赫德曼和尼科爾森發現低品質,B環仍然被認為含有土星環的大部分物質。並且,雖然本研究留下關於環的品質一定的不確定性,土星環的總品質的更精確的測量還在路上。此前,凱西尼號測量了土星的引力場,告訴科學家土星及其環的總品質。凱西尼或能幫助科學家最終揭示環的品質之謎,揭開美麗土星環之謎。

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