在今年3月24日，土星環(huán)曾從地球視角中“消失”。而沒(méi)過(guò)多久，在5月7日，土星環(huán)再度“消失”。這接連兩次消失是由什么導(dǎo)致的？光彩絢麗卻變幻莫測(cè)的土星環(huán)背后究竟隱藏著怎樣的秘密呢？

PART.01土星環(huán)

橫看遮天蔽日，側(cè)看薄如蟬翼

土星環(huán)由無(wú)數(shù)大小不一的碎塊和顆粒組成，其主要成分是冰晶，此外也有一些巖石與塵埃。這些顆粒有的直徑數(shù)米，有的則僅微米大小因此細(xì)不可見(jiàn)，它們充滿(mǎn)間隙地散布在土星的赤道平面上。

由冰晶所組成的無(wú)數(shù)碎塊在陽(yáng)光下能反射出絢麗的色彩，較高的反射率使得土星環(huán)在望遠(yuǎn)鏡下能清晰地為人所見(jiàn)。

但盡管如此，我們依然無(wú)法用肉眼觀察土星環(huán)；甚至在伽利略最早用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)土星環(huán)的存在時(shí)，他也未能分辨出其獨(dú)特的環(huán)帶形狀，而是將它當(dāng)作土星周?chē)摹岸洹被颉笆直保?dāng)成了兩顆衛(wèi)星。

土星環(huán)非常之寬，從內(nèi)側(cè)的D環(huán)到外側(cè)的A環(huán)之間的距離約有7萬(wàn)到14萬(wàn)公里，這一寬度足以擺放十幾個(gè)地球。

如果將土星環(huán)外部更為稀薄的環(huán)也算入其中，那么星環(huán)的整體寬度能達(dá)到30萬(wàn)公里以上，約為土星直徑的2.5倍或地球直徑的24倍。

但與此同時(shí)，土星環(huán)的厚度卻僅為10米到100米。其寬度與厚度的比例如此懸殊，有著百萬(wàn)甚至千萬(wàn)倍的差距——要知道，一張A4紙的寬度也不過(guò)是紙張厚度的兩千倍。因此，即使用“薄如蟬翼”這種詞語(yǔ)，也無(wú)法形容土星環(huán)表面的寬闊與邊緣的纖薄。

PART.02土星角度的變化

與土星環(huán)“消失”之謎

01土星環(huán)傾斜角的周期性變化

土星環(huán)呈現(xiàn)出了詭秘的形狀與絢麗的色彩，但我們作為觀察者始終立足于地球之上。地球與土星這兩顆行星圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，前者公轉(zhuǎn)周期為一年，而后者公轉(zhuǎn)周期為29.46年。兩者如同永不停歇的華爾茲舞者，始終變幻著其位置和距離。

與地球的黃赤交角類(lèi)似，土星的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道之間也存在約為27度的夾角，因此土星并不會(huì)始終以同一角度朝向地球，土星環(huán)的傾斜角度會(huì)隨著土星的公轉(zhuǎn)，以約30年為一個(gè)周期不斷起伏，其變化幅度約為50多度。

與此同時(shí)，地球的公轉(zhuǎn)也會(huì)導(dǎo)致我們看向土星環(huán)的角度發(fā)生變化，讓土星環(huán)傾斜角隨著地球的公轉(zhuǎn)周期發(fā)生小幅度的起伏。

土星光環(huán)對(duì)地球的傾斜角度隨時(shí)間的變化

02

每15年一次，土星環(huán)定期“消失”？

當(dāng)土星的赤道面與地球的視線完全平行，亦即土星環(huán)相對(duì)于地球的傾斜角變化到0度時(shí)，我們?cè)诘厍蛏鲜褂猛h(yuǎn)鏡看到的土星環(huán)就會(huì)變得不易看到，甚至完全消失。

但這一“消失”不是真正的消失，如我們剛才所說(shuō)，土星環(huán)的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其寬度，當(dāng)我們從側(cè)面觀察這種薄如蟬翼的結(jié)構(gòu)，土星環(huán)看起來(lái)就像是消失不見(jiàn)了，我們只能看到一個(gè)孤零零的土星。

這種土星環(huán)“消失”現(xiàn)象大約每13到15年就會(huì)發(fā)生一次。上一次“消失”正是發(fā)生在今年的3月24日，再上一次則發(fā)生在2009年9月4日。

攝影師Alan Friedman在2004-2009年間拍攝的土星照片，記錄了土星光環(huán)在2009年的“消失”。圖源：APOD

根據(jù)這一周期性規(guī)律，我們可以預(yù)知下一次土星環(huán)“消失”將發(fā)生于2038到2039年。

值得注意的是，由于地球公轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的土星環(huán)傾斜角小幅度波動(dòng)，這種“傾斜角減小為零”的現(xiàn)象將在2039年前后反復(fù)發(fā)生三次，屆時(shí)我們將在六個(gè)月內(nèi)連續(xù)三次目睹土星環(huán)的“消失”。

其實(shí)土星環(huán)的“消失”并非一件壞事。這一明亮光環(huán)的消失將為科學(xué)家們提供絕佳的觀測(cè)時(shí)機(jī)，對(duì)土星狀況及其周?chē)男l(wèi)星分布開(kāi)展研究。

土星環(huán)平面穿越常常被比喻為從側(cè)面觀察一張平坦的紙張。 美國(guó)宇航局

03

太陽(yáng)照射角度導(dǎo)致土星環(huán)“消失”

除了上述原因之外，土星環(huán)還可能在其他因素的影響下變得不可見(jiàn)。

例如，當(dāng)太陽(yáng)直射土星赤道時(shí)，能被光線照亮的就只有土星環(huán)薄薄的一層邊緣，而土星環(huán)廣闊的表面因?yàn)槿鄙偬?yáng)光的照射而變暗，看起來(lái)就像是消失了一樣。

土星環(huán)于5月7日的那次“消失”，正是由這一原因所導(dǎo)致的。

PART.03土星環(huán)會(huì)真正消失嗎？

土星所處的宇宙環(huán)境危險(xiǎn)而復(fù)雜，與之相比，土星環(huán)這一松散、疏離而又纖薄的結(jié)構(gòu)看起來(lái)顯得格外脆弱。那么，土星環(huán)真的能一直存在下去嗎？這一奇異和美麗的光環(huán)是否會(huì)在某一時(shí)刻驟然消失？土星是否會(huì)失去這一圈光彩的羽翼，只剩下孤零零的球體？

其實(shí)，科學(xué)家們對(duì)于這一問(wèn)題早就有了研究。在土星磁場(chǎng)的作用之下，土星環(huán)的粒子會(huì)不斷地墜入土星大氣層，形成“環(huán)雨”，許多探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果都表明了“環(huán)雨”現(xiàn)象的實(shí)際存在。

根據(jù)詹姆斯·奧多諾霍（James O'Donoghue）的研究，土星高緯度地區(qū)的“環(huán)雨”每半小時(shí)就能從土星環(huán)中抽取走相當(dāng)于一個(gè)游泳池的水量。這意味著土星環(huán)的壽命可能不足1億年。

因此，土星環(huán)可能并不是隨著土星的出現(xiàn)而一同產(chǎn)生的，它們或許是后來(lái)才聚集形成的附屬物，因?yàn)檫@一脆弱的結(jié)構(gòu)很難伴隨著土星的出現(xiàn)持續(xù)存在45億年之久，相比于土星漫長(zhǎng)的生命周期而言，土星環(huán)的存在可能只是曇花一現(xiàn)。

換句話說(shuō)，人類(lèi)足夠幸運(yùn)，出現(xiàn)在了有土星環(huán)存在的時(shí)刻里，這才沒(méi)有與它的美麗擦肩而過(guò)。

作者：蝌蚪君

審核：劉穎 李培元

審核專(zhuān)家：劉勇 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員、中國(guó)航天科普大使