光環

土星環由蜂窩般的太空碎片、岩石和冰組成。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.

從另一個角度來看，土星反而獨具丰姿。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，惠更斯徠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。

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。1612年年底伽利略看到的正是這種情景；據說由於懊惱，他沒有再觀察過土星。

土星環位於土星的赤道面上。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，它是天文學家卡西尼在1675年發現的。

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。

在太陽系的任何地方都沒有像土星環那樣的東西(但後來發現天王星也有光環)，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。

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。

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。

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。