我辣么大个土星环哪里去了？土星光环的四百年发现之旅

卡西尼的观测场景，左侧的“悬空”望远镜在观测土星，右侧的两个分别在观测月球和火星

/引言

如果你有一位经常观星的朋友，这两个月问他这段时间适合看什么，那么得到的回答中一定没有土星，一来是因为这段时间土星方位过于靠近太阳，被淹没在太阳的光芒中，二来是因为这段时间的土星是公认的“不好看”——土星的光环正在“消失”。此情此景，也曾出现在四百多年前伽利略的目镜当中，而且令他大为不解，由此拉开了一场跨越三个世纪的天文长跑。

1612年4月和2025年4月的土星（Stellarium软件模拟）

在人类仰望星空的历史中，土星在相当长的一段时间内都被认为是太阳系的边缘，并因它那不符合远近规律的亮度变化，成为太阳系最具神秘色彩的行星。从伽利略将望远镜对准土星的那一夜开始，人们就揭开了探索这颗行星本质历程的序幕。从模糊的“三星共体”到精密数学推导下的“卫星群环”，土星环的认知历程不仅是一部天文观测技术的进化史，更折射出人类对突破认知边界的渴望。在这片由冰与尘埃编织的宇宙圆舞曲中，每一道环纹都镌刻着科学巨匠的智慧之光。

/17世纪初，

早期肉眼观测与伽利略的困惑

在望远镜发明之前相当长的人类历史进程中，土星与其他几颗行星一样，都被赋予了丰富的星占学意义，它是古希腊掌管农业和收获的农神，也因其淡黄的颜色与五行当中的土元素相似而被中国古人称为土星。又因其在地球星空背景上运行一周的时间大约是29年，与中国古代的二十八星宿数字接近，所以在古代中国它又被称为镇星或填星，有每年镇守一宿的寓意，也象征着孕育万物的大地以及德高望重之人。例如，古籍《开元占经》中就写道：“所居国吉；国得土，得地，不乃得女；其国福厚；不可伐；国安，大人有喜，增土，填星所居国有德，不可以兵加。”意思是说土星所在的国家有德行，不应以武力侵犯，其出现预示着吉祥与繁荣。

与此同时，与土星丰富的星占学含义相伴的，是它那奇怪的亮度变化。每当它的亮度出现波动，便会被赋予德政有亏、天谴将至或农业欠收、饥荒到来的征兆，那琢磨不定的亮度变化曾让无数占星家、钦天监官员们为之战栗癫狂。

土星奇怪的亮度变化曲线 来源／theskylive.com

就像对其他天体的观测那样，所有的认识都会在新工具出现之后迎来一次革命性的飞跃。1610年，当意大利天文学家伽利略首次用望远镜观测土星，他看到在土星本体的两侧，各有一个凸起，但由于当时的望远镜倍数只有32倍，还无法清晰地分辨它们是什么，被伽利略误认为是分布在土星两侧的两颗“卫星”，还在他的手稿中留下了“土星两侧附着两个模糊手柄”的记录。

伽利略手稿中描绘的土星“三星共体”结构 来源／wiki

当时，伽利略的很多观测活动都得到了宫廷贵族们的资助，1612年，当他想向金主们展示关于土星的这个神奇发现时，那两个“卫星”竟然消失不见了！更奇怪的是，到了1613年，它们又回来了，这两个“小东西”成了伽利略心中的一个不解之谜，不过这也为土星亮度的诡异变化提供了一个线索——这可能预示着土星与其他行星相比有着迥然不同的结构。

/17世纪中-17世纪末，

惠更斯的突破与卡西尼的神预言

这个谜团短暂笼罩了天文学界四十多年的时间。期间，有人说那可能是土星赤道附近的天气变化升腾的蒸汽，也有人说土星两侧有一明一暗两颗卫星，它们时常相互遮掩，这才造成了它们在望远镜中时隐时现，也导致了土星亮度的复杂变化。

直到更先进的望远镜问世，人们才终于得以看清土星的真实面目。1655年，荷兰天文学家惠更斯自制了一系列长达十几米甚至几十米的“悬空”望远镜，通过这种设计，他把望远镜的倍率提高到了50倍。

惠更斯的“悬空”望远镜，通过拉长焦距来消除色差、提高倍率

当惠更斯把望远镜指向土星，透过目镜他看到的是一个无比精致的行星世界，围绕着土星本体的，并不是伽利略眼中的“卫星”或“手柄”，也不是土星赤道附近的蒸汽，那分明是一圈圆环，不偏不倚地套在土星的赤道外围。

当时的科学界流行着一股“谜语人”的风气，某位科学家在取得什么新发现的时候通常想抢到个“首发”，但也担心是自己的测量或实验失误被其同行看了笑话，所以就会把自己的新发现先以打乱字母顺序的字谜的形式公布，等到进一步充分验证或其他人也有类似发现时再宣称自己早已看透了真相。

土星环就以这种特殊形态在人类世界首次亮相，为了保护自己的优先发现权，惠更斯先把土星环的消息进行了加密发布：

“aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnoooppqrrstttttuuuuu”

三年后，在他的《土星系统》（Systema Saturnium）一书中，惠更斯按照正确的字母顺序重新发布了这则消息：

“Annuto cingitur, tenui, plano, nusquam coherente, ad eclipticam inclinato.”

含义如下:

“[Saturn] is surrounded by a thin, flat, ring, nowhere touching, inclined to the ecliptic.”

“土星被薄而平的环环绕，不接触本体，倾斜于黄道面。”

惠更斯不仅描述了观测到的现象，更构建了完整的理论框架。他计算出地球每过14-15年就会穿越土星环所在的平面一次，期间从地球方向看过去，土星环面与视线重合消隐为一条几乎看不到的细线。随着地球的继续运动，土星环面与视线再次拉开角度，环面重新显现，这完美解释了伽利略观测到的“土星卫星失踪事件”的实际情况。通过几何学推导，他还证明了土星环平面与黄道存在26.7°的夹角（现代测量值为26.73°），这也导致了从地球的方向看去，土星的周期性亮度波动可达2.5倍。

1659年，惠更斯在《土星系统》中附带的观测手稿，详尽示意了在不同位置土星看上去的样子

谜底揭晓的同时，新的问题也摆在眼前：围绕着土星的那圈圆环到底是什么？此时的望远镜虽能将土星本体与光环区分开来，但还远不能看清光环自身的结构和细节，人们想当然的认为光环应该是一个完整的固态实体，像“呼啦圈”那样套在土星的“腰”上。

随着望远镜越造越大，天文学家卡西尼在土星光环中发现了一些不一样的东西。

1675年的精密观测让他看到在光环当中存在着一条明显的分界线，它把原本被视作一个整体的光环又分成了内外两个环，随后不久，这条分界线就被称为“卡西尼环缝”，并以此定义了环缝外侧的叫“A环”，内侧的叫“B环”。

卡西尼的观测手稿，可以明显看到对环缝的一圈示意

与学界的主流观点不同，卡西尼指出土星环可能是由无数个微小天体构成的，这一观点与土星环的真实情况十分接近，可谓“神预言”。但奈何当时没有充分的观测证据能够佐证，这一观点最终没能得到主流权威们的认同，人们普遍认为如此精妙的结构必然是上帝创造的固态水晶环。

/18世纪-19世纪，

光环的本质

整个18世纪，对于土星的观测并未取得相较之前突飞猛进的成果，但在理论模型层面，人们正在越来越接近真相。18世纪中叶，哲学家康德提出了有关太阳系形成的“星云假说”，认为太阳系所在的宇宙空间最早只是一片星际尘埃，经过漫长的吸引、旋转和坍缩之后才凝结了成各个天体。18世纪末，这一假说又被拉普拉斯从数学层面独立完善，最终有了被现在公认的“康德-拉普拉斯星云说”，在有关引力的研究过程当中，拉普拉斯也成为了最早意识到黑洞存在和引力坍缩概念的科学家之一。

1787年，结合万有引力这个重要的宇宙法则，在土星环的构成方式上，拉普拉斯也进行过大量的数学计算，最后证明如果土星环真的是一个固态实体环，那它必然在自身的重力下土崩瓦解，无法维持现状，他认为土星环更有可能是由数量众多的一个一个小环同心嵌套组成的。

虽然数学证据强而有力，但支持固态环理论的天文学家依然大有人在，这其中就有大名鼎鼎的天王星发现者、18世纪制镜狂魔——威廉·赫歇尔，他坚决反对拉普拉斯的多环理论，坚信土星环是一个固态整体不动摇。

土星环为什么不会分裂？飘走？或撞向土星？光环的本质是什么？

谜底要等到下一个关键技术的诞生才能被人类发现。但在那之前，数学上的论证仍然在高歌猛进。

19世纪中叶，法国天文学家勒维耶和英国天文学家亚当斯都曾独立用数学方法算出了海王星的位置，也正因如此海王星常常被称作“笔尖上发现的行星”，在谁才是欧洲的统一标准这件事上，向来争得不可开交的英法两大冤家在海王星发现权上也不例外。英国方面，亚当斯所在的剑桥大学于1848年设立了“亚当斯奖”（只颁给英国人），用来纪念他在发现海王星方面的卓越贡献，并鼓励后来的学者们用数学方法解决更多难题。

1856年，“亚当斯奖”的题目为“土星环的运动”，这个已经困扰科学家200年的问题被再次抛出，主办方希望参赛者们能通过数学计算推导出土星环到底是固态的、液态或气态的，还是由许多独立质量体组成的。此题之难，响应者寥寥无几，这引起了数学家麦克斯韦的浓厚兴趣，他也成了那届“亚当斯奖”唯一一位取得足够进展并提交作品的参赛者。

在麦克斯韦的论文中，他有力地证明了土星环既不可能是固体，也不能是液体或气体，它只可能由无数的小颗粒“碎块”组成，这些小颗粒各自有独立的轨道，共同围绕着土星运行。

到了19世纪末，照相术的发明和光谱学的应用让天文学家们看到了以往仅凭肉眼观测看不到的重要信息，美国天文学家基勒就是最早窥探到其中“天机”的人之一。

在那个照相术刚刚起步的时代，基勒的天体画作以其精确和美观得到了同行们的高度认可，1895年他意识到可以利用光线传播的多普勒效应来对土星环进行观测，从而验证麦克斯韦的理论是否正确。

基勒绘制的观测手稿

基勒在光谱观测后发表的论文，右侧示意图中的粗实线即代表通过光谱仪窄缝后的光线所具有红移量或蓝移量（左侧是蓝移、右侧是红移），从这个结果可以明显看出光环越靠近土星本体的部位运动越快这一至关重要的结论

根据万有引力定律，如果土星环是由许多的独立小碎块组成的，那么它们在围绕土星旋转的时候一定是靠内侧的跑得更快，在外侧的跑得更慢。再结合多普勒效应测出土星环不同部位的红移量和蓝移量，推导出土星环的不同部位的运动速度，最后再加上开普勒运动定律的佐证，就能验证麦克斯韦的“小碎块”理论是否正确了。

实验结果表明，观测与理论完全吻合！这个跨越了三个世纪的谜题终于有了答案。

基勒的天文绘图能力之强被同行公认，图为1888年基勒绘制的土星（上图）与2017年哈勃空间望远镜拍摄的土星（下图）对比。

/科学认知的螺旋式演进

近期，土星环正在从天文爱好者们的望远镜视野中“消失”，虽然从当代通俗天文观测的角度来说，这并不是观星者们想看到的情景，但如果换一个视角来看待这个问题，土星此时正在经历它前后几十年当中的“至暗时刻”（2025年4月土星最暗时将有1.21等，为前后五十年内仅有），这一幕从四百年前伽利略看向土星的那一夜开始，困扰过无数的专家学者，也正是经过了这几个世纪的不断探索，我们才能够站在前人的肩膀上看清这一现象背后的本质。如此看来，这又何尝不是一个值得品鉴和重温的时刻呢？

从伽利略的困惑到麦克斯韦的方程，从惠更斯的目视观测到基勒的光谱分析，这段历程完美诠释了培根的箴言——“真理是时间的女儿”。那些在望远镜的目镜后彻夜守候的身影，那些在稿纸上演算至黎明的学者，用智慧和坚持将神话中的光环化作物理定律的诗篇。正如土星环系统本身——既非永恒，亦非静止，而是动态宇宙的真理见证。

来源：中国国家天文

编辑：潇潇雨歇

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号