12.5: 行星环

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述行星环形成的两种理论
比较土星的主要环并解释卫星 Enceladus 在 E 环形成中的作用
解释天王星和海王星环在组成和外观上与土星环有何不同
描述卫星的存在如何影响环形结构

除了它们的卫星，所有四颗巨型行星都有环，每个环形系统由数十亿个小粒子或 “月球” 组成，在它们的星球附近运行。这些环中的每一个都显示出一种复杂的结构，这与环形粒子和较大的卫星之间的相互作用有关。但是，四个环形系统在质量、结构和成分上有很大的不同，如表所示\(\PageIndex{1}\)：

表\(\PageIndex{1}\)：环形系统的特性
星球	外半径 (km)	外半径（R _星球）	质量 (kg)	反射率 (%)
木星	128,000	1.8	1010 (?)	？
土星	140,000	2.3	1019	60
天王星	51,000	2.2	1014	5
海王星	63,000	2.5	1012	5

土星的大环系统由冰冷的粒子组成，这些粒子散布成几个包含大量精细结构的巨大扁平环。另一方面，天王星和海王星环系统与土星的环系几乎相反：它们由限制在几个狭窄的环中的暗粒子组成，中间有很大的空隙。木星的环和至少一个土星环只是短暂的尘带，由小卫星侵蚀的尘粒不断更新。在本节中，我们将重点介绍两个最大的环形系统，即土星和天王星的环形系统。

什么原因导致戒指？

环是大量粒子的集合，每个粒子都像一个遵守开普勒定律的小月亮，因为它沿着自己的绕行星轨道行驶。因此，内部粒子的旋转速度比更远的粒子旋转得更快，并且整个环不会像固体一样旋转。实际上，最好不要考虑环在旋转，而是考虑其单个月球的旋转（或轨道运动）。

如果环形粒子间隔很大，它们将像单独的月球一样独立移动。但是，在土星和天王星的主环中，粒子距离足够近，足以产生相互的引力影响，偶尔甚至会在低速碰撞中摩擦在一起或相互反弹。由于这些相互作用，我们可以看到诸如海浪在环上移动之类的现象，就像水浪在海洋表面上移动一样。

关于这种戒指是如何形成的，有两个基本概念。首先是分裂假设，它表明环是破碎月球的残骸。路过的彗星或小行星可能与月球碰撞，将其分解成碎片。然后，潮汐力量将碎片分开，然后分散到圆盘中。第二个假设采用相反的视角，表明环是由最初无法聚集在一起形成月球的粒子组成的。

无论哪种理论，行星的引力都起着重要作用。在地球附近（图\(\PageIndex{1}\)），潮汐力量可以将物体撕裂或抑制松散的粒子聚集在一起。尽管许多科学家得出结论，至少有几个环相对较年轻，因此一定是破裂的结果，但我们不知道哪种解释对任何给定的戒指都有效。

alt — 图\(\PageIndex{1}\)：四环系统。这张图显示了四颗巨型行星环系的位置。左轴代表行星的表面。垂直虚线是引力可以分解卫星的极限（每个行星的系统被绘制成不同的比例，因此所有四颗行星的稳定极限对齐）。黑点是每颗行星的内部卫星，其比例与其环相同。请注意，只有非常小的卫星才能在稳定极限内存活。

土星之环

土星环是太阳系中最美丽的景点之一（图\(\PageIndex{2}\)）。从外到内，三个最亮的戒指都标有极其不浪漫的 A、B 和 C 戒指的名字。该表以千米和土星 R Saturn 的半径单位\(\PageIndex{2}\)给出了环的尺寸。 B 环是最亮的，有最紧密的颗粒，而 A 和 C 环是半透明的。

图\(\PageIndex{2}\)：从上方和下方看到的土星环。 (a) 从上方看到的景色被阳光直射照亮。 (b) 从下方看到的照明是通过环间隙扩散的阳光。（来源 a，b：修改美国航空航天局/JPL-Caltech/太空科学研究所的工作）

表\(\PageIndex{2}\)：土星环中的精选特征
戒指名称 ¹	Outer Edge（R _Saturn）	外边缘 (km)	宽度 (km)
F	2.324	140,180	90
一个	2.267	136,780	14,600
卡西尼赛区	2.025	122,170	4590
B	1.949	117,580	25,580
C	1.525	92,000	17,490

土星的环很宽而且很薄。主环的宽度为70,000千米，但它们的平均厚度仅为20米。如果我们用纸制作戒指的比例模型，我们就得把它们做成一公里宽。按照这种规模，土星本身将像一座80层高的建筑一样高。环形颗粒主要由水冰组成，它们的范围从沙子大小的颗粒到房屋大小的巨石不等。内部人士对环形的看法可能类似于漂浮的雪花和冰雹的明亮云层，里面有几个雪球和较大的物体，其中许多是较小颗粒的松散聚集体（图\(\PageIndex{3}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{3}\)：从内部看，艺术家对土星环的理想化印象。请注意，戒指主要由不同大小的水冰块制成。在任务快要结束时，卡西尼号航天器离土星环更近了，但它从未如此接近。（来源：NASA/JPL/科罗拉多大学对作品的修改）。

除了宽阔的 A、B 和 C 环外，土星还有几个非常狭窄的环，宽度不超过 100 千米。其中最坚固的就在A环外面，叫做F环；其令人惊讶的外观将在下文讨论。总的来说，土星的窄环类似于天王星和海王星的环。

还有一个非常微弱、脆弱的环，叫做 E 环，与土星的冰冷小卫二有关。 E 环中的颗粒非常小，由水冰组成。由于如此脆弱的冰晶云往往会消散，因此 E 环的持续存在强烈表明，土卫二的来源正在不断补充它。这颗冰冷的月球非常小，直径仅为500千米，但旅行者号的图像显示，其表面大约一半的陨石坑已被抹去，这表明在过去几百万年的某个时候有地质活动。卡西尼号科学家满怀期待地操纵航天器轨道，允许从2005年开始多次近距离飞越土卫二。

那些等待卡西尼飞越结果的人并没有失望。高分辨率图像显示其南极附近有长而深色的光滑地面条纹，这些条纹很快被昵称为 “老虎条纹”（图\(\PageIndex{4}\)）。红外测量表明，这些老虎条纹比周围环境温暖。最重要的是，人们看到老虎条纹上的数十个低温火山喷口正在喷发咸水和冰的间歇泉（图\(\PageIndex{5}\)）。据估计，每秒有200公斤的物质射入太空，虽然不是很多，但足以让航天器采样。

alt — 图\(\PageIndex{4}\)：土卫二。 (a) 这张照片显示了土星月球上平滑和火山口的地形，还显示了南极地区（图像下半部分）的 “老虎条纹”。这些深色条纹（此处以夸张的颜色显示）温度较高，是土卫二上发现的许多间歇泉的来源。它们长约 130 公里，相距 40 千米。 (b) 这里显示的是土卫二与英国和西欧海岸的比例缩放，以强调它是一个小月亮，直径只有大约 500 千米。

当卡西尼号被指示飞入羽流时，它测量了它们的成分，发现它们与我们看到的从彗星中释放出的物质相似（参见《彗星和小行星：太阳系的碎片》）。蒸气和冰羽主要由水组成，但含有微量的氮、氨、甲烷和其他碳氢化合物。间歇泉中发现的微量矿物质包括普通盐，这意味着间歇泉羽流是盐水的高压喷雾剂。

根据对土卫二体积特性和正在进行的间歇泉的持续研究，2015年，卡西尼号飞行任务的科学家初步确定了为间歇泉提供水的地下海洋。这些发现表明，尽管土卫二体积很小，但应该将其添加到我们想要探索的世界清单中，以寻找可能的生命。由于其地下海洋可以很方便地逃入太空，因此它可能比深埋在厚厚的冰壳之下的欧罗巴海更容易进行采样。

alt — 图\(\PageIndex{5}\)：土卫二上的间歇泉。这张卡西尼号照片显示了土星小卫星土卫二上的许多水间歇泉，这些间歇泉显然是来自地下水源的咸水，从地表裂缝中逃脱。你可以沿着地表的四条 “老虎条纹” 看到间歇泉的曲线。

天王星和海王星之戒

天王星的环又窄又黑，使它们在地球上几乎看不见。九个主环是在 1977 年根据天王星经过天王星前方时对恒星的观测发现的。我们将一个天文物体在另一个天体面前的这种通道称为掩星。在1977年的掩星期间，天文学家预计，随着行星穿过恒星的移动，恒星的光线会消失。但除此之外，在天王星到达之前，恒星短暂变暗了好几次，因为每个狭窄的环都在恒星和望远镜之间穿过。因此，尽管无法直接看到或拍照，但环还是被详细绘制出来，比如通过观察汽车连续驶过前方时灯光的闪烁来计算夜间火车上的汽车数量。 1986 年，当 Voyager 接近天王星时，它能够近距离研究这些环；航天器还拍摄了两个新的环（图\(\PageIndex{6}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{6}\)：天王星之戒。 Voyager 团队不得不长时间曝光这张照片才能瞥见天王星狭窄的黑环。你可以在图片背景中看到相机电子设备中 “噪音” 的颗粒状结构。

天王星中最外层、最大的戒指被称为 Epsilon Ring。它只有大约 100 千米宽，厚度可能不超过 100 米（类似于土星 F 环）。 Epsilon Ring 以 51,000 千米的距离环绕天王星，大约是天王星半径的两倍。这枚环所含的质量可能与天王星其他十个环的总和一样多；其中大多数是宽度小于10千米的窄丝带，与土星的宽环正好相反。

铀环中的单个颗粒几乎和煤块一样黑。尽管天文学家并不详细了解这种材料的成分，但它似乎由很大一部分碳和碳氢化合物组成。这种有机物质在外太阳系中相当常见。许多小行星和彗星也是由深色焦油状物质组成的。就天王星而言，它的十颗内部小卫星具有相似的成分，这表明可能有一颗或多颗卫星为了形成戒指而分解。

海王星的环通常与天王星的环相似，但更加脆弱（图\(\PageIndex{7}\)）。它们中只有四个，而且粒子在它们的长度上分布不均匀。因为这些环很难从地球上进行研究，所以我们可能需要很长时间才能很好地理解它们。

alt — 图\(\PageIndex{7}\)：海王星之戒。海王星戒指的长时间曝光是由 Voyager 2 拍摄的。注意外圈的两个密度较高的区域。

SETI Institute 的 Mark Showalter 及其同事维护着美国宇航局的行星环节点网站。它充满了关于环及其与卫星相互作用的信息；例如，请查看他们发布的土星环系统的新闻发布图片。 Showalter 还就土星的环球和月球系统进行了有趣的插图演讲。

示例\(\PageIndex{1}\)：行星环的分辨率

利用土星环对恒星的掩星，天文学家已经能够测量环形结构的细节，分辨率为10 km。这比在传统的戒指照片中获得的分辨率要高得多。让我们弄清楚地球轨道上的太空望远镜必须达到多少角度分辨率（以弧秒为单位）才能获得相同的分辨率。

解决方案

为了解决这个问题，我们使用 “小角度公式” 来关联天空中的角直径和线性直径。对于天空中较小的角度，公式通常写成

\[\frac{ \text{angular diameter}}{206,265 \text{ arcsec}}= \frac{ \text{linear diameter}}{\text{distance}} \nonumber\]

其中角直径以弧秒表示。土星接近对手的距离约为

\[9 \text{ AU} = 1.4 \times 10^9 \text{ km.} \nonumber\]

用上面的公式代入并求解角度分辨率，我们得到

\[\text{angular resolution } = \frac{206,265 \text{ arcsec} \times 10}{1.4 \times 10^9 \text{ km}} \nonumber\]

大约是 10 ⁻³ 弧秒，或一毫弧秒。这对于我们的望远镜来说是不可能实现的。相比之下，哈勃太空望远镜或地面望远镜的最佳分辨率约为0.1弧秒，比我们需要的分辨率差100倍。这就是为什么这样的掩星测量对天文学家如此有用的原因。

练习\(\PageIndex{1}\)

如果相机的角分辨率为 5 弧秒，航天器必须离土星多近才能分辨出小至 20 km 的环中的细节？

回答

使用我们的公式，

\[\frac{ \text{angular diameter}}{206,265 \text{ arcsec}}= \frac{ \text{linear diameter}}{ \text{distance}} \nonumber\]

我们明白了

\[\frac{5 \text{ arcsec}}{206,265 \text{ arcsec}} = \frac{20 \text{ km}}{ \text{ distance}}. \nonumber\]

因此，距离约为82.5万公里。

环和卫星之间的相互作用

我们对行星环的迷恋在很大程度上是由于它们错综复杂的结构，其中大部分的存在归功于卫星的引力效应，没有这些引力效应，环将变得平坦而没有特征。事实上，越来越明显的是，没有卫星，可能根本不会有环，因为留给自己，由小颗粒组成的薄盘会逐渐扩散和消散。

土星环中的大部分间隙以及A环外缘的位置，都是由与内部小卫星的引力共振造成的。当两个物体的轨道周期彼此精确比例（例如 1:2 或 2:3）时，就会发生共振。例如，土星环卡西尼分部内侧间隙中的任何粒子的周期都等于土星卫星 Mimas 的一半。这样的粒子每隔一圈就会离轨道同一部分最近的米玛斯。 Mimas 的反复引力拖船总是朝着同一个方向起作用，会干扰它，迫使它进入间隙之外的新轨道。这样，卡西尼分部在很长一段时间内就耗尽了戒指材料。

卡西尼号飞行任务揭示了土星环中的大量精细结构。与早期的 Voyager 飞越不同，卡西尼号能够观测这些环已有十多年了，揭示了从几分钟到几年的时间尺度上发生的一系列显著变化。卡西尼号数据中新出现的许多特征表明，环中仅有几十米的冷凝物或小卫星。当每个小月亮移动时，它会在周围的环形物质中产生波浪，就像移动的飞船留下的尾流一样。即使月球太小而无法分辨出来，卡西尼号也可以拍摄其特有的波浪。

土星最有趣的环之一是狭窄的F环，它在90公里宽度内包含几个明显的环圈。在某些地方，F 形环会分解成两三根平行的股线，有时会出现弯曲或扭结。天王星和海王星的大部分环也是像土星F环一样的窄丝带。显然，某些物体的重力必须防止这些细环中的粒子扩散。

正如我们所看到的，土星环中最大的特征是由与内部卫星的引力共振产生的，而许多精细结构是由较小的嵌入式卫星引起的。就土星的F环而言，特写图像显示它以两颗卫星（Pandora）和普罗米修斯（Prometheus）的轨道为界（图\(\PageIndex{8}\)）。这两颗小卫星（每颗直径约为100千米）被称为牧羊卫星，因为它们的引力用于 “牧养” 环形粒子并将它们限制在狭窄的丝带中。类似的情况也适用于天王星的艾普西隆环，它由科迪莉亚和奥菲莉亚卫星。这两个牧羊人的直径各约为50千米，在环内外运行约2000千米。

alt — 图\(\PageIndex{8}\)：土星的 F 环及其牧羊人卫星。 (a) 这张卡西尼号图像显示了狭窄而复杂的土星F环，其中有两颗小型牧羊人卫星潘多拉（左）和普罗米修斯（右）。 (b) 在近距离观察中，可以看到牧羊人月亮潘多拉（横跨84千米），在F环旁边，月亮在经过时正在扰动主要（最亮的）环形粒子链。你可以在这张照片上看到潘多拉的阴暗面，因为它被土星反射的光照亮了。

你可以下载一部电影，展示土星 F 环两侧的两颗牧羊人卫星。

理论计算表明，乌拉尼亚和海王星系统中的其他窄环也应由牧羊人卫星控制，但尚未找到任何细环。计算出的此类牧羊人的直径（约10千米）刚好达到Voyager相机的可探测性极限，因此无法确定它们是否存在。（鉴于我们看到的所有狭窄环，一些科学家仍然希望找到另一种更令人满意的机制来限制它们。）

理解戒指的突出问题之一是确定它们的年龄。巨型行星是否一直有我们今天看到的环形系统，或者这些系统可能是太阳系最近或短暂的补充？就土星的主环而言，它们的质量与内月米玛斯的质量大致相同。因此，它们可能是由 MIMAS 大小的月球破裂形成的，这可能是太阳系历史的早期，当时行星形成还剩下许多行星际射弹。很难理解最近太阳系变得更加稳定的时候怎么会发生这样的灾难性事件。

摘要

环由大量的单个粒子组成，这些粒子在离行星太近的地方运行，以至于它的引力可能会将较大的碎片分开或阻止小碎片聚集在一起。除了少量间隙外，土星环很宽、平坦，几乎是连续的。这些颗粒主要是水冰，典型尺寸为几厘米。土星的一颗卫星 Enceladus 如今正在喷发水间歇泉，以维持由非常小的冰晶组成的脆弱的 E 环。天王星的环是狭窄的丝带，间隙很宽，所含的质量要少得多。海王星的环很相似，但所含的物质甚至更少。环的复杂结构在很大程度上是由于环内或在环外运行的卫星引起的波浪和共振造成的。这些戒指系统的起源和时代仍然是个谜。

词汇表

谐振: 一种轨道状态，其中一个物体受到另一个物体的周期性引力扰动，最常见的是当绕第三个物体运行的两个物体的旋转周期是彼此的简单倍数或分数时

脚注

¹ 戒指字母按其发现顺序分配。