行星環

離陽類木行星來說，除了有其繞轉的衛星外，還有另一類繞轉的物體，這就是行星光環，行星光環的形成在於其環繞的物質離行星更近，這些物質的質量不很大，因而物質團塊的體積在不很大時就會超過它的洛希體積（如果星體體積大於它的洛希體積，則星體上的物質就會由於另一顆星的引力而流出，像密近雙星的兩顆子星交換物質那樣），使它們不能凝聚成一個大的衛星，而只能形成環繞行星的運動的連續分佈的物質系——即光環，例如著名的土星光環就是這樣形成的。行星光環色彩由構成行星光環的物質微粒的大小決定。構成行星光環的微粒體積不同對白色太陽光的散射程度就有差異，體積較大的微粒對太陽光的散射接近色譜紅色區域，而體積較小的微粒則靠近藍色。現已知道，木星、天王星和海王星都有光環。不過它們的光環比較暗弱，不像土星光環那樣明亮，比較容易在地面上用望遠鏡發現而已。

星環形：存洛希極限，形衛星星盤質；衛星遭巨撞擊產碎屑；洛希極限潮汐扯瓦衛星產碎屑。環穩，千億消，土星環非古，追溯陽系早。

環微粒各組，硅酸鹽或冰的塵粒，也可能有大的岩石和卵石，並且於2007年在土星環內偵測到來自8顆小衛星造成的潮汐效應。

觀測發現，土星光環中的粒子會由於彼此之間的碰撞而不斷聚合成一個大的物體，當物體的直徑超過50米以後，又會由於其它團粒的碰撞而分開，這是由於它的表面的引力已經由於其體積的增大而小於行星對它的引力，因而自身體積已經超出了洛西體積的緣故，因而繼續碰撞的結果是使它瓦解而不是使它的體積繼續增大，因此正是由於行星的引力限制了它的團粒的繼續增長，使它不能像離行星較遠的團粒那樣，聚合成一個更大的星體。對於處於光環以外的衛星，也會像把引力施加在行星上產生潮汐力那樣施加在光環上，產生出對光環物質的潮汐攝動現象，這種作用會把光環中那些具有和攝動衛星公轉周期成整數比的運動粒子清掃出去，形成光環中的環縫，這叫做引力共振現象，例如土星光環就是由和土星距離大小不等的A、B、C、D四個同心環組成，這些環彼此間具有寬度大小不等的幾條窄縫，就是由於上述原因形成的。小行星帶中的幾條環縫也是這樣形成的，它主要由木星的引力攝動形成，叫做科克伍德缺口；不過，人們也發現，對於小行星帶來說，情況好像更加複雜一些，一些地方會由於引力共振而使星數減少，而另一些地方則會使星數增加，看來好像這種引力共振會產生兩種傾向，一種是星數鎖定效應，使此

處星數增加，另一種則是星數解離效應，使此處的星數減少一些，這樣看來，引力共振倒也像名副其實的共振，一些地方由於相長共振而使振幅加強，表現為星數的增加，另一些地方由於相消共振而是振幅減小，表現為星數的減少，因此，確切地說，引力共振不如更準確地叫引力相干為好一些。

早在1850年，法國數學家洛希就推斷出：由行星引力產生的起潮力能瓦解一顆行星，或瓦解一顆進入其引力範圍的過往天體。這種起潮力能夠阻止靠近行星運轉的物質結合成一個較大的天體。洛希極限，是一個重力穩定性的區域。據此，科學家們對行星環的成因進行了三種推測；第一，由於衛星進入行星的洛希極限內，從而被行星的起潮力所瓦解；第二，位於洛希限內的一個或多個較大的星體，被流星撞擊成碎片而形成光環；第三，太陽系演化初期殘留下來的某些原始物質，因為在洛希極限內繞太陽公轉，而無法凝集成衛星，最終形成了光環。

不過，對於光環的成因，科學家們目前還只能是進行猜測而已。更令他們疑惑不解的問題是那些窄環的存在，因為根據常規，天體碰撞、大氣阻力和太陽輻射都會對窄環造成破壞，使它消散在空間。究竟是什麼物質保護著窄環使其存在呢？一些學者提出，一定有一些人們尚未觀測到的小衛星位於 行星光環窄環的邊緣，它們的萬有引力使窄環得以形成並受到保護。這種觀點被人們後來的發現所證實，因為人們不僅在土星而且在天王星的窄環中，也發現了兩顆體積很小的伴隨衛星，它們的複雜運動相互作用，使光環內的物質運動也缺乏規律性，也許這正是不同的行星環具有不同的形態的原因所在。

隨著研究的深入，使人們當初的一種推測——行星環為太陽系演化初期殘留下來的某些物質繞行星公轉而成這一觀點，受到了越來越多的學者的懷疑。比如，德國的一位天體學家認為，在1億年前，一顆小彗星與一顆直徑60英里的土星衛星發生碰撞，從而形成土星環。對於神奇的行星光環，科學家們仍然不斷提出新的推測和假說。然而，隨著天文新發現的增多，行星光環反而顯得更加神秘莫測了。

行星光環是怎樣形成的呢？首先，行星本身所在的空間的溫度應足夠低，以便能夠保留大量的原始時期的顆粒物質，其次，行星的質量也要足夠大，使行星的洛西限控制的空間半經延伸得足夠遠，很顯然，類地行星不具備這樣的條件，因此它們也就沒有這樣的光環存在，有光環的只可能是類木行星等一類質量較大、距離太陽較遠的行星，這就是行星的光環為什麼只存在於類木行星周圍的原因，但是這個原因只是形成行星光環的一個基本原因，實際情況還是會因具體行星的情況不同而不同，木星由於質量大，引力收縮時期產生的熱量多，因而驅逐了星體周圍的較多原始的剩餘物質，形成的光環較窄，為石質的，而根據近年來的觀測資料，土星的光環可能不是原先自發形成的，而是一顆大衛星碰撞破碎后瓦解而成的，只是碎片落在洛西限以內，不能再形成衛星而已，至於這顆大衛星本身，可能是它先前所俘獲的一個天體，而天王星和海王星的光環為石質和冰質顆粒相間組成，且環的寬度較大，其內部的部分可能是由於單純的洛西限作用形成的，而它的外圍部分則可能是由於更遠處的幾顆大衛星的潮汐攝動造成的，這種攝動和木星對小行星帶的攝動一樣，將其軌道內的大部分原始的顆粒物質拉出，使剩餘物質不能再因自身的引力聚合起來，形成較大的天體所致。舉例

隨著行星際空間探測器的發射，不斷揭示出太陽系天體中許多前所未知的事實，木星環的發現就是其中的一個。早在1974年“先鋒11號”探測器訪問木星時，就曾在離木星約13萬公里處觀測到高能帶電粒子的吸收特徵。兩年後有人提出這一現象可用木星存在塵埃環來說明。可惜當時無人作進一步的定量研究以推測這一假設環的物理性質。1977年8月20日和9月5日美國先後發射了"旅行者1號"和"旅行者2號"空間探測器。經過一年半的長途跋涉，"旅行者1號"穿過木星赤道面，這時它所攜帶的窄角照相機在離木星120萬公里的地方拍到了亮度十分暗弱的木星環的照片。同年7月，后其到達的"旅行者2號"又獲得了有關木星環的更多的信息。

根據對空間飛船所拍得照片的研究，現已知道木星環系主要由亮環、暗環和暈三部分組成。環的厚度不超過30公里。亮環離木星中心約13萬公里，寬6000公里。暗環在亮環的內側，寬可達5萬公里，其內邊緣幾乎同木星大氣層相接。亮環的不透明度很低，其環粒只能截收通過陽光的萬分之一左右。靠近亮環的外緣有一寬約700公里的亮帶，它比環的其餘部分約亮10%，暗環的亮度只及亮度環的幾分之一。暈的延伸範圍可達環面上下各1萬公里，它在暗環兩旁延伸到最遠點，外邊界則比亮環略遠。據推算，環粒的大小約為2微米，真可算是微粒。這種微米量級的微粒因輻射壓力、微隕星撞擊等原因壽命大大短於太陽系壽命。為了證實木星環是一種相對穩定結構這一說法，人們提出了維持這種小塵埃粒子數量的動態穩定的幾種可能的環粒補充源。

在太陽系中，土星被譽為美麗的天體，它戴著的光環曾被認為是不可思議的奇迹。在這4顆戴著光環的行星中，土星的光環最為壯觀和奇麗。歷史上首先發現土星光環的是義大利天文學家伽利略。伽利略用剛剛發明不久的天文望遠鏡觀測土星，發現它的側面彷彿有一些什麼東西。土星環由蜂窩般的太空碎片、岩石和冰組成。土星的自轉軸和地球一樣，也是傾斜的，土星的軸傾角是26.73°，地球則是23.45°。由於土星的光環和赤道是在同一平面上，所以它是對著太陽（也對著我們）傾斜的。當土星運行到其軌道的一端時，我們可由上往下看見光環近的一面，而遠的一面仍被遮住。當土星在軌道的另一端時，我們就可由下往上看到光環近的一面，而遠的一面依然被遮住。土星從軌道的這一側轉到另一側需要14年多一點。在這段時間內，光環也逐漸由最下方移向最上方。行至半路時，光環恰好移動到中間位置，這時我們觀察到光環兩面的邊緣連接在一起，狀如“一條線”。隨後；土星繼續運行，沿著另一半軌道繞回原來的起點，這時光環又逐漸地由最上方向最下方移動；移到正中間時，我們又看見其邊緣連接在一起。因為土星環非常薄，所以當光環狀如“一條線”時就好像消失了一樣。

土星環位於土星的赤道面上。主要的土星環寬度從48公里到30.2萬公里不等，以英文字母的頭7個命名，距離土星從近到遠的土星環分別以被發現的順序命名為D、C、B、A、F、G和E.土星及土星環在太陽系形成早期已形成，當時太陽被宇宙塵埃和氣體所包圍，最後形成了土星和土星環. 在空間探測以前，從地面觀測得知土星環有五個，其中包括三個主環(A環、B環、C環)和兩個暗環(D環、E環)。B環既寬又亮，它的內側是C環，外側是A環。A環和B環之間為寬約5，000公里的卡西尼縫，

在太陽系的任何地方都沒有像土星環那樣的東西，或者說，用任何儀器我們也看不到任何地方有像土星環那樣的光環。誠然，我們現在知道，圍繞著木星有一個稀薄的物質光環，且任何像木星和土星這樣的氣體巨行星都可能有一個由靠近它們的岩屑構成的光環。然而，如果以木星的光環為標準，這些光環都是可憐而微不足道的，而土星的環系卻是壯麗動人的。從地球上看，從土星環系的一端到另一端，延伸269,700公里（167,600英里），相當於地球寬度的21倍，實際上幾乎是木星寬度的2倍。

1610，伽利略第一次透過他原始的望遠鏡觀察土星時，發現它的形狀有點奇怪，好像在其球體的兩側還有兩個小球。他繼續觀察，發現那兩個小球漸漸變得很難看見，到1612年年底時，終於同時消失不見了。其他天文學家也報告過土星的這種奇怪現象；但直到1656年，惠更斯才提出了正確的解釋。他宣稱，土星外圍環繞著一圈又亮又薄的光環；光環與土星不接觸。天文學家卡西尼在1675年發現A環和B環之間為寬約5，000公里的卡西尼縫，1826年，德國血統的俄國天文學斯特魯維把外面的環命名為A環，把裡面的環命名為B環。1850年，美國天文學家W.C.邦德宣稱，還有一個比B環更靠近土星的暗淡光環。這個暗淡光環就是C環，C環與B環之間並沒有明顯的分界。

土星環到底是什麼呢？J.D.卡西尼認為它們像鐵圈一樣是平滑的實心環。可是，1785年拉普拉斯（後來他提出了星雲假說）指出，因為環的各部分到土星中心的距離不同，所以受土星引力場吸引的程度也會不同。這種引力吸引的差異（即我前面提過的潮汐效應）會將環拉開。拉普拉斯認為，光環是由一系列的薄環排在一起組成的，它們排列得如此緊密，以致從地球的距離看去就如同實心的一樣。可是，1855年，麥克斯韋（後來他預言了電磁輻射寬頻帶的存在）提出，即使這種說法也未盡圓滿。光環受潮汐效應而不碎裂的惟一原因，是因為光環是由無數比較小的隕星粒子組成的，這些粒子在土星周圍的分佈方式，使得從地球的距離看去給人以實心環的印象。麥克斯韋的這一假說是正確的，現在已無人提出疑義。法國天文學家洛希用另一種方法研究潮汐效應，他證明，任何堅固的天體，在接近另一個比它大得多的天體的時候，都會受到強大的潮汐力作用而最終被扯成碎片。這個較小的大體會被扯碎的距離稱為洛希極限，通常是大天體赤道半徑的2.44倍。這樣，土星的洛希極限就是2.44乘以它的赤道半徑60,000公里，即146,400公里，A環的最外邊緣至土星中心的距離是136,500公里（84,800英里），因此整個環系都處在洛希極限以內。（木星環也同樣處在洛希極限以內。）

很明顯，土星環是一些永遠也不能聚結成一顆衛星的岩屑（超過洛希極限的岩屑會聚結成衛星——而且顯然確實如此），或者是一顆衛星因某種原因過分靠近土星而被扯碎后留下的岩屑。無論是哪一種情況，它們都是余留的一些小天體。（被作用的天體越小，潮汐效應也就越小，碎片小到某個程度之後，就不再繼續碎裂了，除非兩個小天體相互間偶爾碰撞。）據估計，如果將土星環所有的物質聚合成一個天體，結果將會是一個比我們的月亮稍大的圓球。

由於相對運動的關係，遠方恆星有時會移動到太陽系天體如月亮、行星或小行星的正後方，這種現象稱為掩星。掩星發生時，如果近距天體沒有大氣，星光便立即消失。如果天體外圍有大氣，則星光在完全消失前會有一個略被減弱的過程。各類掩星發生的時刻可以通過理論計算非常準確地作出預報。

1977年3月10日曾發現一次天王星掩星的罕見天象，被掩的是一顆暗星。中國、美國、澳大利亞等國的天文學家都對此進行了觀測。意想不到的奇怪事情發生了，小星在預報被掩時刻前35分鐘出現了"閃爍"，也就是星光減弱又迅即復亮。這種閃爍一連出現了好幾次。當這顆星經天王星背後復現，或者說掩星過程結束后，閃爍現象又重複出現。以後，經過對觀測結果的仔細研究，發現閃爍是因天王星環的存在而造成的。這是繼1930年發現冥王星后本世紀太陽系內的又一重大發現。由於天王星環非常暗弱，過去即使在大望遠鏡中也從未直接觀測到過。1978年，美國用5米口徑望遠鏡才在波長2.2微米的紅外波段首次拍攝到天王星環的照片。

在隨後的幾年，天文學家共辨認出9條光環這些環都很窄，一般不足10千米，其中一條最寬的環叫ε環，約100千米。這些環都很暗，即使用世界上最大的天文望遠鏡也不能直接看到，因此雖然它們在本質上和土星光環並無區別，但天文學家卻只稱它們“環”，而不稱它們“光環”。

1986年1月24日，“旅行者”2號在探測天王星時不但證實了這些環的存在，還發現了兩條新環，使目前我們所知的王天星環達到11條。這些環大多是圓的，環與環相距較遠。只有ε環較為特殊，是橢圓環。這些環有的呈深藍色，有的偏紅。環中的物質大部分是微小的塵埃，間或也有拳頭、西瓜大小的石塊，偶爾還有卡車那麼大的岩石，中間夾雜著一些冰屑。

由於擁有環的三顆行星——土星、木星和天王星都屬於類木行星，因而人們很自然會去猜想第四個類木行星——海王星是否也存在環。美國雜誌《空間與望遠鏡》1978年4月號曾報道，1846年10月10日就有人在60厘米反射望遠鏡中用肉眼看到過海王星環，並在次年為劍橋大學天文台台長查里斯所證實，後者甚至得出環半徑為海王星半徑1.5倍的結論。但因後人在尋找海王星衛星的多次觀測中均未發現環，這件事就漸漸被人淡忘了。本世紀80年代在發現天王星環的鼓勵下，不少人試圖通過海王星掩星事件來發現環，但對幾次掩星觀測結果的解釋卻是眾說紛紜。有人報道發現了環，有人則說不存在環。對報道發現環的觀測結果也有人認為可用其他原因來解釋而否定環的存在。總之，海王星是否有環一時成了懸案。

1989年8月，"旅行者2號"探測器終於使這一懸案有了解答。當她飛近海王星時，發現海王星周圍有3個光環隱藏在塵面下，而且外光環很不一般，呈明顯弧狀，沿弧有緊密積聚的物質。但有關海王星環系的具體情況至今仍不太清楚，還需要人們更多的探測和研究。

2015年1月27日，天文學家探測到首個像土星一樣擁有環狀系統的太陽系外行星。這一光環十分巨大，如果“套”在土星上，會在夜晚看到比滿月大數倍的光環。

這一行星名為J1407b，距離地球420光年，圍繞褐矮星J1407運轉。它擁有30多個光環，光環總直徑達1.2億公里，是土星環的200多倍。

荷蘭萊頓天文台和美國羅切斯特大學的研究人員表示，他們在J1407b的光環中至少發現了一個清晰的間隙，這應該是形成衛星后留下的痕迹，其質量在地球與火星之間

科學家預計，J1407b行星的光環在未來幾百萬年裡會逐漸變厚，最終消失，凝聚成許多大的衛星。