中国科学院上海天文台 赵君亮

    土星可算是太阳系中较为奇特的一颗行星，在望远镜中看来，它的外表犹如一顶草帽，在圆球形的星体周围有一圈很宽的"帽沿"，这就是土星光环，又称土星环。光环的存在使得土星成为群星中最美丽的一颗，令观赏者赞叹不已。几百年来，人们一直以为太阳系中唯独土星才有光环。直到本世纪70年代后期至80年代后期，天王星环、木星环和海王星环的相继发现才使这一观点得以改变。

土星环和它的复杂结构

    关于土星环的发现有着一段颇为有趣的故事。

    自从意大利著名天文学家伽里略在1609年首次用望远镜观测星空以来，新的发现经他之手接踵而至。1610年7月，他把望远镜对准了土星。在这架放大倍数只有30倍而又不完善的望远镜中，伽里略看到土星两旁有某种奇怪的附属物。实际上他所观测到的便是土星两侧的光环部分。但是，伽里略并没有认识到这一点。鉴于在这之前他已经发现了木星的四颗大卫星，于是便相信土星两侧也有两个卫星之类的小天体。然而，由于情况不如木星卫星那样明白无疑，伽里略没有直截了当地宣布这一发现。

    任何一位科学家在感觉到将要作出一项重要发现之时，往往会为两种感情所支配：一方面怕别人走在自己的前面而想尽快地发表它，另一方面又担心会犯大错误而不想轻率地过早加以发表。在伽里略时代学者们为此往往采用一种称为"字母颠倒法"的密码记录方式来简要地记载自己所作出的发现，这种记录除了发现者本人外几乎谁也无法加以破译。当发现者过一段时间后确证了这项发明之时，便把自己早已写好的那份"天书"译出来，从而保留了对该项发现的优先权。

    伽里略对他的土星观测结果便采用了这种方法。他当时所做的记录是由39个拉丁字母混乱排列的一长排符号串，其真实含义是"观测到一颗最高的三重行星"。这里"最高的"即指土星，因为土星是当时所知离太阳最远的行星。1659年，荷兰科学家惠更斯证实伽里略观测到的是一个离开土星本体的光环。但他开始时也象伽里略一样采用了字母颠倒的密码记录法，不过形式稍有不同，用了总数为62个拉丁字母的若干符号串。三年后当他确信自己结论正确时才宣布了这组符号串的意义是"土星周围有一个又薄又平的光环，它的任何部分与土星不相接触，光环平面与黄道面斜交"。

    惠更斯以后，人们经历了漫长的过程才对土星环的本质有了正确的认识。在最初的两百年内，土星环一直被认为是一个或若干个扁平的固体物质盘。1856年英国物理学家麦克斯韦首先从理论上证明这种环必须是由围绕土星旋转的一大群小卫星组成的物质系统，而不可能是整块固体物质盘。40年后，美国天文学家基勒通过观测发现，土星环不同部分的旋转速度随到土星中心距离的增大而减小，并且符合开普勒运动定律。如果是刚体转动，则转速因随距离的增大而增大。这样就无可辩驳地证实了环是无数个各自沿独立轨道绕土星旋转的大小不等的物质块，从而最终阐明了土星环的本质。事实上当远方恒星在环后经过时星光并没有多大的减弱，这也说明它不是一整块东西，而是一些稀疏分布的分离物质块。现已知道组成环的小"卫星"大都是一些直径为4~30厘米的冰块，总质量约为土星质量的百万分之一。环极冷，据探测温度低达-200℃左右。

    目前，根据地面和空间观测结果得知，土星环系的主体含有A、B、C、D、E、F和G七个环以及环与环之间称为环缝的一些暗区。环编号的次序是根据发现时的先后，而不是按它们离土星本体的远近来确定的。环缝则通常以发现者的名字来命名，它们是一些质点密度相对很小的区域。最里面的是D环，内侧几乎触及土星表面，宽约为12000公里，与C环内缘隔开一个1200公里宽的盖林缝。C环很暗，宽约19000公里。C环外是既宽又亮的B环，它与C环相隔一条宽1800公里的法兰西缝，宽度约为25000公里，可以并排放上两个地球。再往外就是A环，亮度仅次于B环，宽约15500公里。A、B两环间是宽度为5000公里的卡西尼环缝，由著名天文学家卡西尼于1675年发现。卡西尼缝是永久性的环缝，另一条永久性环缝为A环中的恩刻环缝，宽度只有876公里。其他环缝既不完整又具有暂时性。A环向外依次为F、G和E环。其中F环很窄，宽度仅为30公里，它与A环间宽约3600公里的空缺区取名为"先锋缝"。F环和G环都是空间飞船发现的。E环的情况比较复杂，物质分布呈现某种结构，宽度超过8万公里，一直延绵到离土星表面20万公里以远的空间中。

    土星环系的总宽度超过20万公里，而最大厚度却不超过150米，真可谓"其薄如纸"！无怪乎当它以侧面对我们时会消失殆尽，这一点也曾使伽里略对自己的发现产生怀疑呢！关于环的起源至今未有定论，一种最流行的观点认为，当一颗卫星离开土星太近时会为土星起潮力所瓦解，其结果便形成今天的光环。

天王星环系的发现

    由于相对运动的关系，远方恒星有时会移动到太阳系天体如月亮、行星或小行星的正后方，这种现象称为掩星。掩星发生时，如果近距天体没有大气，星光便立即消失。如果天体外围有大气，则星光在完全消失前会有一个略被减弱的过程。各类掩星发生的时刻可以通过理论计算非常准确地作出预报。

    1977年3月10日曾发现一次天王星掩星的罕见天象，被掩的是一颗暗星。中国、美国、澳大利亚等国的天文学家都对此进行了观测。意想不到的奇怪事情发生了，小星在预报被掩时刻前35分钟出现了"闪烁"，也就是星光减弱又迅即复亮。这种闪烁一连出现了好几次。当这颗星经天王星背后复现，或者说掩星过程结束后，闪烁现象又重复出现。以后，经过对观测结果的仔细研究，发现闪烁是因天王星环的存在而造成的。这是继1930年发现冥王星后本世纪太阳系内的又一重大发现。由于天王星环非常暗弱，过去即使在大望远镜中也从未直接观测到过。1978年，美国用5米口径望远镜才在波长2.2微米的红外波段首次拍摄到天王星环的照片。

    现已知道，天王星环系至少由9个环组成。这些环和土星环大不一样。它们都很窄，除了最外边的e环可望宽100公里，以及h环的宽度约有60公里宽以外，其余环的宽度都大约只有10公里。一方面环很细，另一方面环和环之间则是广阔的天空，而不是土星环那样是宽环间存在窄的环缝。天王星环的反光本领很低，看起来就很暗，因此其环粒的组成也与土星环不同，可能具有碳质球粒陨星的成份，但环粒的大小至今还不清楚。

极其稀薄的木星环

    随着行星际空间探测器的发射，不断揭示出太阳系天体中许多前所未知的事实，木星环的发现就是其中的一个。早在1974年"先锋11号"探测器访问木星时，就曾在离木星约13万公里处观测到高能带电粒子的吸收特征。两年后有人提出这一现象可用木星存在尘埃环来说明。可惜当时无人作进一步的定量研究以推测这一假设环的物理性质。1977年8月20日和9月5日美国先后发射了"旅行者1号"和"旅行者2号"空间探测器。经过一年半的长途跋涉，"旅行者1号"穿过木星赤道面，这时它所携带的窄角照相机在离木星120万公里的地方拍到了亮度十分暗弱的木星环的照片。同年7月，后其到达的"旅行者2号"又获得了有关木星环的更多的信息。

    根据对空间飞船所拍得照片的研究，现已知道木星环系主要由亮环、暗环和晕三部分组成。环的厚度不超过30公里。亮环离木星中心约13万公里，宽6000公里。暗环在亮环的内侧，宽可达5万公里，其内边缘几乎同木星大气层相接。亮环的不透明度很低，其环粒只能截收通过阳光的万分之一左右。靠近亮环的外缘有一宽约700公里的亮带，它比环的其余部分约亮10％，暗环的亮度只及亮度环的几分之一。晕的延伸范围可达环面上下各1万公里，它在暗环两旁延伸到最远点，外边界则比亮环略远。据推算，环粒的大小约为2微米，真可算是微粒。这种微米量级的微粒因辐射压力、微陨星撞击等原因寿命大大短于太阳系寿命。为了证实木星环是一种相对稳定结构这一说法，人们提出了维持这种小尘埃粒子数量的动态稳定的几种可能的环粒补充源。

隐藏极深的海王星环

    由于拥有环的三颗行星——土星、木星和天王星都属于类木行星，因而人们很自然会去猜想第四个类木行星——海王星是否也存在环。

    美国杂志《空间与望远镜》1978年4月号曾报道，1846年10月10日就有人在60厘米反射望远镜中用肉眼看到过海王星环，并在次年为剑桥大学天文台台长查里斯所证实，后者甚至得出环半径为海王星半径1.5倍的结论。但因后人在寻找海王星卫星的多次观测中均未发现环，这件事就渐渐被人淡忘了。本世纪80年代在发现天王星环的鼓励下，不少人试图通过海王星掩星事件来发现环，但对几次掩星观测结果的解释却是众说纷纭。有人报道发现了环，有人则说不存在环。对报道发现环的观测结果也有人认为可用其他原因来解释而否定环的存在。总之，海王星是否有环一时成了悬案。

    1989年8月，"旅行者2号"探测器终于使这一悬案有了解答。当她飞近海王星时，发现海王星周围有3个光环隐藏在尘面下，而且外光环很不一般，呈明显弧状，沿弧有紧密积聚的物质。但有关海王星环系的具体情况至今仍不太清楚，还需要人们更多的探测和研究。

还存在别的行星环吗？

    自从天王星环、木星环和海王星环发现以来，行星环在太阳系中再不是珍品了。那么其他行星是否会有尚未发现的环存在呢？有人提出地球历史上也曾经有过一个由微粒构成的环，并用此来解释大约3400万年前地球上冬季温度曾一度降低了20℃而夏季温度却无变化的化石植物学资料。这个假设的地球环存在了100~200万年后因高层大气的阻尼作用、微陨星的冲击及太阳风轰击而逐渐消失，故今天也就不存在了。当然这仅仅是一家之说，是否确有其事尚待后人进一步考证。