发现土星环：从伽利略到卡西尼

1610年，伽利略·伽利雷（Galileo di Vincenzo Bonaulti de Galilei）在测试他和利伯希共同发明的望远镜时，第一次观测到了土星环。不过由于当时的望远镜精度还很低并且分辨率有限，他不知道他所见到的是什么，所以暂且将其称作“耳朵“。伽利略猜测土星可能由中间的一颗大星以及左右两颗相接的小卫星构成。在1612年，当他再次观测时，却发现土星左右两边的结构又消失了，这令伽利略百思不得其解。一段时间后小行星再次出现，情况却变得更加复杂。伽利略在当年的一封信中这样叙述道：“我几天前观察到土星的两个伴星不再是像以前那样的两个完整的小圆球，它们变大了许多且不再是圆形，而是月食那样两个被遮掩的半圆，中间各有深色小三角形，且与土星相接触。土星则一如既往地呈现为圆形。”

伽利略手稿中描绘的土星“三星共体”结构 来源／wiki

土星环在之后的1626年、1642年与1655年再度消失。随后越来越多的天文学家使用自己的望远镜开始观察土星，约翰内斯·赫维留斯(Johannes Hevelius)在1656年发表了一整套他自己认为可以行得通的关于土星的运行系统，他认为土星整体是椭圆形的，在星球的主(长)轴末端附着着两个月牙状物体，当星球绕着其短轴旋转时，由于地球正对着星球的侧面，我们就有可能只能看到宽面而看不到月牙状物体。赫维留斯的这套理论的确可以解释我们所看到的现象，可是这样的理论对于一颗星体来说实在是有些奇怪。随后，一位著名的建筑师克里斯托弗·雷恩(Christopher Wren)在1658年给出了另一个更为合理的解释：他认为星球表面有一层如同薄膜的日冕围绕着行星，当这层薄膜正对着我们的时候，我们就没办法观测到它。

1673年赫维留的45米焦距望远镜。来源／wiki

随后在1659年，克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）为了减小望远镜的色差设计出了悬空式望远镜，并根据进一步的观测提出了一个更接近正确答案的解释：他认为土星周围围绕着一圈扁平的圆盘，这个圆盘不会接触到星体，而且当圆盘正对着地球的时候我们是观测不到它的。虽然惠更斯对于行星环的认知基本上是正确的，可是他仍旧弄错了一点——他错误地认为行星环是固态的。当时的其他天文学家都认为行星环是由许多碎片状的未知物质拼凑而成的，这些未知物质环绕着土星运转，从而形成了行星环。值得一提的是，惠更斯在1656年是以字谜的方式公布了他的发现：“aaaaaaa ccccc d eeeee g h iiiiiii llll mm nnnnnnnnn oooo pp q rr s ttttt uuuuu”。这种字谜是将一句话中组成各单词的字母全部重新排列而成，是当时学者们经常使用的一种方法：在有所发现而又未能确认时，先公布谜语，待研究尘埃落定之后再宣布谜底。这样既证实了自己发现的优先权，又不给潜在的竞争者以更多的提示。惠更斯直到1659年在出版《土星系统》时，才公布了字谜的原文：“Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato”，即“（土星）被一个很薄的平面的环围绕着，环与土星本体不接触，且相对黄道面倾斜”。在书中惠更斯对出现各种形态的土星的原因提出了正确的解释：这是因为视线方向变化的投影效果造成的。

左图：惠更斯的悬空式望远镜；右图：惠更斯《土星系统》中的一页，解释土星光环问题

1675年，巴黎天文台的首任台长乔凡尼·多美尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）发现土星光环中间有条暗缝，这条土星光环中的缝隙后来被命名为“卡西尼环缝”。

1787年，皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre Simon Laplace)首次证明了一个单一固态实心环是没有办法保持稳定状态的，他随后提出了另一个嵌套离散行星环模型，在此模型里的行星环仍旧是单一存在的状态，只不过这个行星环不是以实心固态的状态环绕着土星。惠更斯发表自己的理论200年之后，时间来到了1858年，时年27岁的著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)从力学的角度通过稳定性分析得出土星环不可能是纯固体状态的，也不可能是连续的流体状态，组成行星环的每一个粒子直径都不应该超过10厘米。通过光谱学的研究，立克天文台的詹姆斯·基勒在1895年证实了麦克斯韦的理论。

1997年10月15日，以两位对于土星的探索有重大贡献的天文学家所命名的卡西尼-惠更斯号从肯尼迪航天中心发射升空，于2004年7月到达土星周围。卡西尼号计划环绕土星及其卫星4年，而惠更斯号将会深入土卫六浓雾包围的大气层并在其表面着陆。在超额服役近二十年中，卡西尼号取得了十分丰富的观测结果，帮助人类在了解土星和其卫星的道路上迈出了历史性的一步。最终，在2017年，卡西尼号完成了它的使命，在控制下进入土星大气层燃烧成为了土星的一部分。

Natan Fontes 图源：NASA每日天文

在今天，我们可以直观地理解土星形状变化的原因。从地球看过去，土星环的宽度约20万千米，厚度却仅有数十米，这在太空中是相当纤细的一个空间结构。当土星环的侧面正好正对着地球时，从地球上观察土星环就仿佛消失了一样。这种现象平均每隔十五年左右出现一次，最近的一次在今年的3月24日。当太阳光恰好直射土星环的赤道，在地球上虽然可以看到倾斜的环面，但由于土星环的表面几乎没有阳光的照射，所以会变得难以观测，这也是另一种意义上的“光环消失” 。这种现象在刚刚过去的5月7日发生过。

卡西尼号所拍摄的土星影像