作者:曾衡 段躍初

在浩瀚宇宙的舞臺上，土星的光環無疑是最為引人注目的天體景觀之一。它們就像宇宙精心打造的璀璨飾品，圍繞著土星，散發著神秘而迷人的氣息。然而，你是否知道，這些壯麗的光環有時會從我們的視野中悄然消失？

2025年1月23日，從地球上觀測，土星的光環將呈現出近乎邊緣的狀態，幾乎難以察覺。當我最近在西南夜空璀璨的金星附近欣賞土星時，就注意到了它的異樣。與金星相比，任何靠近它的天體都會顯得黯淡無光，金星的亮度極高，常常被誤認為是飛機或不明飛行物，而此時的土星看起來格外暗淡。這不僅是因為它幾乎位于太陽的另一側，距離地球達到了最大距離，因而比平常稍暗，更重要的是，土星那耀眼的光環正在從我們的視角中消失。平常寬闊的光環如今顯得異常纖細，幾乎就像一條橫跨行星的線。沒有了無數反光的冰粒增添土星的光彩，這顆行星的亮度還不到其他時候的一半。

但請放心，土星壯麗的光環依然存在。它們幾乎不可見有兩個原因：其一，光環的扁平程度超乎想象；其二，我們的觀測角度受到土星和地球各自軌道運動的影響。土星的光環不僅是這顆行星最顯著的特征，也可以說是整個太陽系中最為壯觀的結構。主光環直徑約28萬公里，如果將它們置于地球和月球之間，它們將覆蓋超過三分之二的距離！盡管光環如此巨大，但在土星距離地球超過10億公里的情況下，肉眼幾乎無法看到它們。不過，人類一旦開始用望遠鏡掃描天空，光環就被發現了，盡管它們的真實結構在當時仍然是個謎。

17世紀初，伽利略通過他簡陋的望遠鏡看到了土星的光環，但由于分辨率不足，無法看清其真實形狀，他將其稱為土星的“耳朵”。幾十年后，荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯意識到，這顆行星被一個“不接觸它任何地方”的環所環繞，正如他在《土星系統》一書中所寫。著名物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，他確定了支撐現代科技文明的電磁學方程，是第一個證明這樣的環不可能是固體的人，否則它會被撕裂。環的內邊緣圍繞土星旋轉的速度比外邊緣快得多，會將其粉碎。由此可知，土星的光環必定是由小塊物質組成，這些物質太小，地球上的任何望遠鏡都無法看到。更現代的觀測表明，這些小塊幾乎是純凈的水冰，這就是它們如此明亮的原因，因為冰是陽光的優良反射體?，F代研究還表明，這些小塊大多比普通汽車還小，數量可能多達千萬億。

關于光環的形成，目前普遍認為，它可能是由于土星的一顆冰質衛星受到一個來襲物體的猛烈撞擊而形成，這個來襲物體甚至可能是另一顆衛星。有趣的是，目前還不清楚這一事件發生的時間。2023年發表在《伊卡洛斯》雜志上的一項研究，通過觀察原本閃亮的光環上暗微隕石塵埃的積累速度，發現從宇宙角度來看，光環非常年輕，年齡僅在1億到4億年之間。然而，2024年底發表在《自然·地球科學》雜志上的研究卻發現，這種塵埃的“污染”速度并不像之前認為的那么快。高速微隕石碰撞會使環粒子電離，賦予它們電荷，這使得它們容易受到土星強大磁場的影響，進而將物質吸引走，減緩了光環變暗的速度，這意味著光環可能要古老得多。

即便在光環被發現后的幾個世紀后的今天，它們仍然存在許多未解之謎。不過，關于它們在最初碰撞后如何形成，我們已經有了相對清晰的認識，這也解釋了它們為何如此扁平，盡管其年齡仍然是個謎。由于土星衛星及其撞擊體的軌道運動，碎片最初可能形成了一條長長的流，其中大部分可能沿著該衛星的軌道運動方向分布。土星的其他衛星在其赤道上方運行，所以這顆衛星的物質最終也可能形成類似的結構。此外，由于土星并非完美球體，而是因其快速的10.5小時自轉周期在赤道處隆起，行星加厚的中部會將碎片扭轉到赤道正上方的軌道上，這就是為什么產生光環的撞擊會形成一個扁平的圓盤。

這里所說的扁平，是超乎想象的扁平。盡管光環直徑達數十萬公里，但它們極其薄，垂直方向最多跨越一公里。在某些地方，光環只有10米高，相當于三層樓的高度。盡管光環無比巨大，但如果將它們和土星本身縮小到直徑28厘米（11英寸），也就是一張標準紙張的長度，光環的厚度將比紙張薄100倍！最后，與土星大衛星的引力相互作用，使這些環粒子進入略有不同的軌道。隨著時間的推移，它們形成了數千個單獨的環，以及其間的一些空隙。所以從上方看，光環令人驚嘆不已；但從側面看，它們薄如剃刀，極難被觀測到。

這就是我們現在所處的情況。和地球一樣，土星的自轉軸傾角很大，與所有主要行星公轉的黃道面夾角超過26度（地球的傾角為23度）。這意味著在土星的北半球夏季，它的北極向太陽傾斜。從比土星更靠近太陽的地球看過去，我們是“向下”看光環，可以看到它們的全貌。土星的公轉周期約為30年，所以在土星一年的大部分時間里，我們都能清楚地看到光環。然而，在土星的春分和秋分時，從地球上看光環更接近邊緣，實際上從太陽上看，光環是完全呈邊緣狀態的。但由于土星繞太陽的軌道相對于地球的軌道有輕微的傾斜，只有當地球也穿過光環平面時，我們才能在土星的分點看到光環恰好呈邊緣狀態。這種情況在分點附近可能發生兩次，地球先“向上”穿過平面，大約六個月后再“向下”穿過，這實際上使土星的光環從我們的視野中消失。

而2025年5月將迎來土星的秋分。3月23日，我們的地球將穿過光環平面，屆時，光環將達到消失的頂點，然后再慢慢重新進入我們的視野。但需要注意的是，在3月的那個日期，土星在天空中距離太陽只有10度，這使得觀測變得非常困難，時機實在不佳！雖然土星將在11月中旬再次穿過地球的軌道平面，但到那時，土星的自轉軸傾角將使光環從我們的視角稍微傾斜，所以我們只能看到它們非常接近邊緣的狀態。好消息是，11月土星在日落后很容易在南方天空中觀測到，并且通過望遠鏡仍然幾乎看不到光環。大家可以查看一下附近是否有天文臺或天文學會舉辦觀測活動！

參考文獻:

Plait, P. (2025, January 23). Saturn’s Rings Are Disappearing—But They’lScientific American

來源: 科普文訊