太陽落山了，最后一抹晚霞也消失在地平線上。夜幕開始降臨，星星次第出現(xiàn)。在太陽落山一個半小時后，如果你處在一個視野開闊的地方，向南方望去，你會發(fā)現(xiàn)天空中有兩顆明亮的相隔不太遠的星星（注：這里描述的是2019年7-9月北半球的天象），其中左邊（南偏東）的那顆暗一些，它就是大名鼎鼎的土星。
此刻它位于人馬座，亮度是0.3等，在還不算太黑的夜空中熠熠生輝。史前人類也早就注意到它了，并且確認它是一顆行星。古代中國人叫它鎮(zhèn)星/填星，五行學說興起后又叫它土星，西方則以古羅馬農(nóng)神薩圖恩的名字（拉丁語：Saturnus）命名了它，英語世界叫它Saturn。土星是太陽系第二大行星，距離太陽約14億千米，繞太陽公轉(zhuǎn)周期大約29年，目前它剛過沖日位置，太陽落山后不久就出現(xiàn)在東南方向地平線上，正是觀測它的好時候。肉眼看上去土星平平無奇，但用望遠鏡看過去就是另外一番模樣了。1610年7月25日，意大利天文學家伽利略·伽利萊將望遠鏡指向土星，驚奇地發(fā)現(xiàn)望遠鏡里的土星兩邊各有一個小星，就好像土星長有兩個耳朵一樣，他想公布這個發(fā)現(xiàn)，但又怕自己弄錯，于是按照當時學術(shù)界的習慣，把自己的發(fā)現(xiàn)用拉丁語寫出來，再打亂字母的先后順序，形成一段密語：smais mr mielmep oet ale umibuvnen ugttavir as【1】。伽利略的好朋友、天文學家開普勒對破解密語很有興趣，他反復嘗試，認為伽利略寫的是“Salve umbistineum geminatum Martia proles”（向您致敬，火星的雙生子），意思是自己看到了火星的兩個衛(wèi)星。讓開普勒掃興的是后來伽利略公布的正確原文是：Altissimum planetam tergeminum observav（我看到最高的行星由三部分組成）。
然而1612年年底伽利略發(fā)現(xiàn)土星的兩個小伴星慢慢消失不見，之后1616年他發(fā)現(xiàn)它們又重新出現(xiàn)，這讓伽利略迷惑不解。雖然受自己的望遠鏡的觀測能力的限制，伽利略沒有發(fā)現(xiàn)那兩個所謂“伴星”究竟是什么東東，但這并不妨礙他是第一個觀測到土星環(huán)的人。將近40年后的1655年，26歲的荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯建造了一個像質(zhì)更好的、能放大50倍的長筒望遠鏡，并用它觀測了土星。他發(fā)現(xiàn)伽利略所看到的那兩個小星并不存在，實際上是一個固體的光環(huán)環(huán)繞著土星，為了保護自己的優(yōu)先權(quán)，在確認自己的新發(fā)現(xiàn)之前他公布了一段新的字謎：aaaaaaa ccccc dd eeeee g h iiiiiii llll mm nnnnnnnnn oooo pp q rr s ttttt uuuuu。1659年他在拉丁語著作《土星系統(tǒng)》（Systema Saturnium）一書中給出了字謎原文：Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinator（有環(huán)圍繞，環(huán)薄而平，沒有一處與本體相連，而與黃道斜交）。通過觀測，他也解釋了土星環(huán)定期消失一次的原因：土星環(huán)的軌道平面和地球公轉(zhuǎn)平面有一個夾角，每隔14到15年，地球會進入土星環(huán)軌道平面，此時土星環(huán)側(cè)面正對著地球，由于它很薄，所以地球上無法看到。 
惠更斯的這個發(fā)現(xiàn)轟動了歐洲學術(shù)界，連基督教都來湊熱鬧：梵蒂岡圖書管理員、神學家里奧·阿拉丟斯（Leo Allatius，1586 - 1669）就寫論文聲稱土星光環(huán)是跟隨耶穌·基督升天的包皮所變。這位天主教神學家想必還不知道土星光環(huán)的物理本質(zhì)，否則他絕對不敢如此信口開河。如上所述，惠更斯在著作中認為圍繞土星的光環(huán)是一個固體的環(huán)，當時絕大多數(shù)天文學家也同意這個看法。但1660年法國詩人讓?夏普蘭（Jean Chapelain）做出一個天才的判斷，他認為土星光環(huán)是由無數(shù)小衛(wèi)星組成的。1675年法國天文學家讓-多米尼克·卡西尼（江湖綽號“老卡西尼”）發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)中間有一道暗縫（后來被稱為“卡西尼縫”），土星環(huán)因此被分成了兩部分：環(huán)縫之外較暗的A環(huán)和內(nèi)側(cè)的B環(huán)，此外他還推測土星光環(huán)是由無數(shù)微小顆粒構(gòu)成的。但這只是猜測，并不能說服大多數(shù)天文學家。
卡西尼繪制的土星環(huán)草圖，他標出了卡西尼縫的位置
土星光環(huán)高分辨率照片，卡西尼縫和恩克縫清晰可辨此后一個多世紀里，只有英國天文學家威廉·赫歇爾對土星光環(huán)進行了一些研究，他估測了土星環(huán)的厚度，并在1790年測出了土星光環(huán)的公轉(zhuǎn)周期是10小時32分鐘。 1837年，德國天文學家約翰·恩克在A環(huán)中間發(fā)現(xiàn)一條暗帶，這條暗帶后來被命名為“恩克縫”。1850年，英國天文學家威廉·邦德和喬治·邦德在B環(huán)內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)一個新的光環(huán)，后來被稱做C環(huán)。兩年后，有幾名觀測者發(fā)現(xiàn)可以透過C環(huán)看到土星表面，這一發(fā)現(xiàn)嚴重動搖了土星環(huán)是實心固體環(huán)的傳統(tǒng)觀念。于是1856年，物理學家詹姆斯·麥克斯韋從數(shù)學上研究了土星環(huán)的穩(wěn)定性問題，他最終得出結(jié)論：“如果這些環(huán)是固態(tài)和均勻的話，它們的運動就會是不穩(wěn)定的，因而它們就會被破壞；但它們并沒有被破壞，而且它們的運動很穩(wěn)定，故此它們要么是不均勻的、要么是非固態(tài)的”，“唯一能夠存在的環(huán)是由無數(shù)互不連接的小顆粒組成，它們圍繞著土星按各自的不同距離以不同的速度運行和演化”。這篇重要的論文使麥克斯韋獲得了當年的亞當斯獎。
土星光環(huán)細節(jié)，卡西尼探測器拍攝在此之前，法國天文學家愛德華·洛希從另一個角度研究了土星環(huán)問題，他研究了天體的潮汐力問題。我們知道，根據(jù)萬有引力定律，中心質(zhì)點的引力與受力物體到該質(zhì)點的距離的平方成反比，而實際物體是有大小的，它靠近中心質(zhì)點的一端和遠離中心質(zhì)點的一端到中心質(zhì)點的距離存在微小的差異，這就意味著物體兩端受到的引力并不一樣，物體需要靠其內(nèi)部的凝聚力來對抗這種引力差，當物體距離中心質(zhì)點的距離達到某個限度時，引力差會超過物體的凝聚力，這個物體就會分崩離析了。這個距離極限被稱作“洛希極限”，進入洛希極限的大物體，無一例外都會被中心天體撕成碎片（著名的“火車彗星”——蘇梅克-列維9號彗星就是在1992年被木星引力俘獲，進入其洛希極限，彗核被撕成了一長溜小彗核，并于1994年再次經(jīng)過木星時被木星完全吸引而墜入木星大氣層）。土星環(huán)就位于土星的洛希極限之內(nèi)，因此它必然不是實心的固體環(huán)。
蘇梅克-列維9號彗星，彗核被木星的潮汐力撕裂成一長溜，1994年NASA拍攝就這樣，經(jīng)過了將近200年的探討，人們終于發(fā)現(xiàn)詩人讓?夏普蘭和天文學家老卡西尼的猜測是對的。之后的100年，天文學家通過各種途徑來研究土星光環(huán)，他們確定了土星光環(huán)的厚度不到15千米（1908年），甚至是只有2.4千米（1966年），而且還發(fā)現(xiàn)了通過A環(huán)能夠看到土星本體（1911年），這就再次證明土星環(huán)是由微小顆粒組成的。此外天文學家還發(fā)現(xiàn)土星光環(huán)中還有E環(huán)（1966年）和D環(huán)（1967年），并確認它表面覆蓋有水冰。
卡西尼號深入土星環(huán)后拍到的細節(jié)照片，密密麻麻的小亮點就是組成土星光環(huán)的碎屑自從20世紀50年代人類進入空間時代起，天文學家就有一個夢想，希望能夠近距離觀測土星環(huán)。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，從1973年開始，相繼有三個探測器被送入太空，踏上探索外太陽系的慢慢旅程，它們分別是先驅(qū)者11號（1973年發(fā)射）、旅行者1號和旅行者2號（1977年發(fā)射）。1979年先驅(qū)者11號從遠距離掠過土星，發(fā)現(xiàn)了F環(huán)，確認了E環(huán)的存在。1980年到1981年旅行者1號和2號先后掠過土星，發(fā)現(xiàn)了G環(huán)，在B環(huán)上發(fā)現(xiàn)了“輻條”狀的結(jié)構(gòu)，探測器在近距離上看到土星光環(huán)由數(shù)千個小環(huán)組成，此外，在此前認為是環(huán)縫的地方也發(fā)現(xiàn)了一些小環(huán)。探測器還先后確認了幾顆牧羊人衛(wèi)星【2】。
位于恩克縫里的牧羊人衛(wèi)星——土衛(wèi)十八，卡西尼號探測器所攝這三顆探測器取得的觀測結(jié)果令人耳目一新，然而美中不足的是這些探測器都只是路過土星，留下驚鴻一瞥之后就匆匆踏上新的征程。為了更好的研究土星系統(tǒng)，1997年，美國和歐洲聯(lián)合發(fā)射了一艘專門研究土星的無人探測器“卡西尼-惠更斯”號，2004年“卡西尼-惠更斯”號進入環(huán)繞土星的軌道，2005年1月14日，探測器釋放的著陸器“惠更斯”號在土衛(wèi)六表面成功著陸并發(fā)回圖像，卡西尼號則一直圍繞著土星進行觀測，2016年11月，即將耗盡推進劑的卡西尼號按照地面指令開始降低高度，向土星環(huán)靠近，在近距離觀測并多次穿過土星環(huán)后，于2017年9月15日進入土星大氣層燒毀。
已經(jīng)粉身碎骨的卡西尼號在生命最終階段對土星環(huán)的近距離觀測大大擴展了我們對土星環(huán)的了解。我們首先知道了土星環(huán)的年齡。天文學家們事先建立了土星環(huán)物質(zhì)總質(zhì)量和其年齡之間的關(guān)聯(lián)模型，然后利用卡西尼號在土星和土星環(huán)之間穿行時速度的變化，估算了土星環(huán)B環(huán)的總質(zhì)量（約為土衛(wèi)一質(zhì)量的40%），從而推算出土星環(huán)形成于約1000萬年至1億年前，這要比土星本身的年齡（46億年）要年輕得多。這與另一組天文學家利用卡西尼號上的宇宙塵埃分析器獲得的數(shù)據(jù)估算的結(jié)果（土星環(huán)年齡在1.5億-3億年之間，或者更年輕）非常接近。換句話說，土星環(huán)出現(xiàn)時，地球上很有可能還被恐龍統(tǒng)治著。我們也可以推算出土星環(huán)的壽命。天文學家發(fā)現(xiàn)組成土星環(huán)的物質(zhì)（冰和塵埃）正在土星引力和磁場的作用下持續(xù)向土星表面墜落，形成所謂的“土星雨”，卡西尼號測算的結(jié)果是半個小時內(nèi)從土星環(huán)落到土星上的塵埃雨可以輕松填滿一個奧運會專用游泳池。根據(jù)土星光環(huán)現(xiàn)在的質(zhì)量和它損失物質(zhì)的速度可以估算，土星環(huán)將在大約1億年后消失。此前天文學家對土星環(huán)的起源有兩種猜測，一種認為是土星誕生之初殘留在土星軌道上的物質(zhì)形成了土星環(huán)，另一種則認為是土星形成之后俘獲了一顆彗星或者柯伊伯帶【3】小天體，這個小天體在進入土星的洛希極限后解體而形成了土星環(huán)?？ㄎ髂崽柦嚯x觀測組成土星環(huán)的小顆粒之后，發(fā)現(xiàn)它們的表面非常明亮，如果它們是土星形成之初就誕生的，那么幾十億年之后它們的表面應(yīng)該覆蓋著黑色的塵埃。此外上文提到的土星雨使土星環(huán)不斷損失物質(zhì)，照卡西尼號觀測到的速度估算，土星環(huán)不可能有幾十億年的歷史。天文學家推測，土星環(huán)可能的起源是一顆彗星或者小行星撞上了土星的某顆衛(wèi)星，致使其破裂成碎片并改變軌道，進入土星的洛希極限，之后持續(xù)撕裂，最終形成土星環(huán)。在這個過程中，碎片會受到其他土星衛(wèi)星的引力影響，因此在土星周圍某些區(qū)域會出現(xiàn)運動狀態(tài)不穩(wěn)定的情況，處在這些區(qū)域的物質(zhì)碎片會被吸引走或者彈走，從而形成“縫隙”。此外在光環(huán)中還會由于碎片相互碰撞而重新生成衛(wèi)星，它們對光環(huán)的物質(zhì)分布也會產(chǎn)生相應(yīng)的影響。正是這些復雜的、相互交織的影響，造就了我們今天能夠看到的壯麗的土星環(huán)。天文學家相信，太陽系中其他行星的光環(huán)也很有可能是同樣的機制生成的。卡西尼號已經(jīng)消失在土星濃密的大氣層里了，但人類對土星的近距離探測才剛剛開始。接下來，美國和歐洲將繼續(xù)合作執(zhí)行名為“土衛(wèi)六-土星系統(tǒng)任務(wù)”的深空探測計劃，預計將在2020年發(fā)射一個復雜的探測器。此外，中國計劃在2030年發(fā)射一個深空探測器，在探測完木星后，將于2045年造訪土星。相信這些人類的使者將會給我們帶來更多關(guān)于土星環(huán)的信息。現(xiàn)在，請你在合適的時間放下手頭上的事情，走出家門，仔細觀看一下夜空中那顆閃亮的行星。請想象一下正在圍繞著它運動的靜謐的巨大光環(huán)，想象一下它是如何誕生的，又將如何消亡，心中是否會有一種難以言說的感覺？1，網(wǎng)絡(luò)上流傳的版本是smais mr milmep oet ale umibunen ugttauir as，經(jīng)我核對是錯誤的。2，牧羊人衛(wèi)星（Shepherd moon）是存在于行星光環(huán)中的衛(wèi)星，它們能夠在行星環(huán)中清理出一個環(huán)縫，或者將環(huán)中的物質(zhì)保持在環(huán)內(nèi)而不至于飛散，就好像看管羊群的牧羊人一樣。3，柯伊伯帶（Kuiper belt）是美國天文學家杰拉德·柯伊伯為了解釋短周期彗星的來源而提出的一個假說，該假說認為在海王星軌道之外存在一個充滿了處于冰封狀態(tài)的小天體的帶狀區(qū)域，這里的小天體如果受到引力攝動而飛入太陽系內(nèi)部，就會成為我們能看到的短周期彗星。1992年，天文學家找到了第一個柯伊伯帶天體（KBO），到現(xiàn)在為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約1000個柯伊伯帶天體，它們的直徑從數(shù)千米到上千公里不等。
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