科普 | 除了土星,它们也有星环!

小禹宇鱼

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木星环·1996年11月6日·伽利略号拍摄·图源NASA

说起宇宙探索，读者朋友的脑海里浮现的，一定有航天飞机、火箭、人造卫星这些符号，还有一些长得漂漂亮亮的行星，像是戴着宽宽的草帽。

这个大草帽的原型，就是咱们太阳系的土星。围着它的这个冰雪行星环，使它成为太阳系的颜值担当。

但你知道吗？其实，四颗大行星——木星、土星、天王星、海王星都是有行星环的，只是另外三位没有土星的这么酷炫罢啦。今天，我们就来聊聊天王星和木星的行星环吧。

怎么就想起来要说它们了呢？因为日子：1977年3月10日，人类确知了天王星环的存在；1979年3月4日，旅行者1号拍到了木星环。所以，今天谈谈它们，是把四十多年前的两个发现搁到一起，办个纪念庆典。

相信你一定留意到了，当提到“天王星环”时，我们用的词是“确知”而不是“发现”。这是因为，早在1789年2月，威廉·赫歇耳——对，正是发现天王星的那位大神——就在观测笔记里记下了“February 22, 1789: A ring was suspected……a little inclined to the red.”（怀疑有个环……颜色有点红）。可是，他的观测结果在随后的两个世纪内未能确认，成了一条难立的孤证。现在，虽然我们知道天王星确实有个环系统，其中几条确实有点红，但当年赫歇耳究竟有没有真的看到它，却成了永远的谜。



天王星掩SAO 158687·1977年3月10日·Stellarium软件模拟

1977年3月10日，两位天文学家和一位数据分析师使用柯伊伯机载天文台，飞到12500米的高空去观测天王星掩蔽恒星SAO 158687。他们原本只是想研究星光通过天王星大气之后的光谱变化，这样就可以分析天王星的大气成分。

咦？意外发生了！在天王星遮蔽恒星之前和之后，这颗恒星都短暂地消失了五次，如下图数据所示。三位观测者由此判断，天王星有个环系统，至少五条。恒星的每次消失，都表示它正从一条行星环身后经过。根据观测数据，人们还推算出了五条环的半径在44000~51000km之间。



天王星掩SAO 158687时的恒星亮度变化·《自然》杂志1977年5月26日，267期

你可能不信：细细的行星环怎么可能挡得住恒星嘛！这里要说一下，我们伸出一根手指，就可以遮住整个太阳。遥远的恒星（SAO 158687距离我们约5800光年）即使在天文望远镜里，也只是一个亮点，并不会像天文模拟软件呈现的那样，被放大成一个火球。

相比天王星环的传奇故事，木星环的发现就直截了当，枯燥无味：它是旅行者1号飞掠木星时直接拍到的。不过，鉴于之前还无人看到过木星环，事先也得有所准备，知道该往哪儿瞧、怎么拍，对不对？旅行者1号就是有备而来，它把镜头对着木星赤道上方的黑暗虚空，曝光了672秒，最终发现了木星环。



旅行者1号拍到的木星环·1979年3月4日·图源NASA

在上面这幅照片里，中间的倾斜光带就是木星环。每条曲曲折折的亮线都是太空背景里的一颗恒星，它们不是点状，因为672秒的长时间曝光把它们拉成了星迹。这些星迹呈波浪状，是因为探测器本身有个78秒周期的振动。

大家可能会奇怪，木星那么大、那么近，怎么它的光环发现得比天王星还要晚两年呢？还有，发现天王星环的方法，直接套用到木星身上就是了，为什么还非要旅行者1号凑到跟前、几乎瞪瞎眼才能看到？我们比较一下木星环和天王星环的异同，或许能意识到其中的必然性。

它们的相同之处是二者都黑暗而窄细，不像土星的冰质宽边大檐帽那么bling bling。木星环由微米级的尘埃组成，天王星环的原料是直径小于十米的黑暗颗粒。在当时的科技条件下，从地球直接观察它们反射太阳光辉，都是几乎不可能的任务（所以赫歇耳的观测记录难以置信）。

直接观察非常难，就看谁的条件更有利于间接观察了。

天王星环的材料颗粒个头大，能结结实实地挡住恒星星光。相比而言，木星的微米级尘埃可以视作透明。

天王星的姿态特别，它的自转轴倾斜98°左右，躺在轨道上打滚，是它的日常。所以，它的星环和公转面几乎垂直，我们从地球上有机会“俯视”天王星环的全貌。从前面的软件模拟可以看到，1977年，天王星环就处于这么一个被俯视的姿态。如果发生天王星掩星，那颗恒星不论从哪个角度过来，要想走到天王星身后，就必须杀入圆环套圆环的重围，出现闪烁消失事件。而木星环和黄道面基本平行，从地球上只能看到它的侧面，近似一条线段，大概率挡不住恒星。



恒星被天王星（左）掩蔽时，必然被光环遮挡几次。被木星（右）掩蔽时，却有很大几率漏网。笔者制图

所以，天王星虽然遥远黯淡，它的星环却早于木星环发现，还是要靠天资+个人努力的，并非全靠运气。

行星环是怎样形成的呢？目前一般认为有三个来源：一是原本就在行星周围，因为靠得太近（术语称“洛希极限”以内），无法凝聚成一颗大卫星的；二是天然卫星被撞击或自然喷发出的物质产生的碎屑；三是原本成形的小天体，飞到行星的洛希极限以内，被潮汐力撕成了碎片。

从天王星环内颗粒的反照率、尺寸和星环结构来判断，科学界主流认为，天王星环的含冰量低并且相当年轻，应该是由潮汐力撕碎的小天体形成的。

尘埃组成的木星环，则有很强的证据认为是第二种来源。木星的光环系统由四个尘埃环构成，每个环的外缘边界都非常整齐，并且“很巧”地都各自和一颗卫星的轨道重叠。这说明，环内物质是卫星被微陨石撞击后飞向太空、又被向内旋入木星方向的尘埃。每颗尘埃本身在环内只能维持千百年左右，但木星大胖子可以源源不断地拽来小天体，持续制造撞击，为光环提供原料。



木星的四层星环的外缘和卫星轨道的关系·图源NASA

对行星环尤其是对土星环以外的行星环的发现和认知，确证了探索宇宙的方法的可行性和可靠性，让人类发现了天体的新形式，在心智中搭建起来的“世界”，离真实更近一步。

来源 | 中国的航天