书城童书你不了解的太阳系之谜
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第19章 土星篇(1)

最美的行星

在太阳系的八大行星中,土星是公认的最美丽的行星。它的表面呈淡淡的橘黄色,赤道上空有一个发光的环围绕着,好像戴了一顶高贵典雅的帽子。土星绕太阳一圈大约需要29年半才能完成,但自转速度较快,自转周期短,只需要10个多小时。由于它自转速度快,产生的离心力大,导致它的外形偏扁。

土星的赤道与公转轨道有27毅的倾角,与地球的23毅倾角非常相似。当土星公转时,两个半球交替朝向太阳。这种交替循环形成了土星的四季变化,这与我们地球的四季成因相同。

科学家认为,土星的中心是一个岩石核,外围是一层压缩的冰块,冰块外面裹着由氢和氦等气体构成的大气圈。土星斜着身子绕太阳转动,当它的北极朝向太阳时,那里由于长时间低温而凝结成细小颗粒的氮,被太阳光急剧加热升温,升华成氮气,并一直上升直到抵达低温的云顶,形成光亮的白云,我们称之为“大白斑”。

与地球相比,土星的直径是地球的9.5倍,体积是地球的730倍。土星的核心外面没有像地球那样的幔和壳,只有核外的冰层和与之相连的大气。因此,它虽然体积很大,但密度却很小。水的密度为1000千克/立方米,土星的密度只有水的70%,假如把土星放在水中,它会漂浮在水面上。

土星表面的温度约为-140益,云顶温度为-170益,比木星还低。由于土星表面温度较低,且物质逃逸速度慢,从而保留着几十亿年前形成时所拥有的几乎全部的氢和氦。因此,科学家认为,研究土星目前的成分就等于研究太阳系形成初期的原始成分,对于了解太阳内部活动及其演化很有帮助。

土星环之谜

伽利略是历史上着名的意大利天文学家,他曾有过许多重大的天文发现。他用很原始的自制望远镜,发现了环绕木星运行的那些新世界——木星的一系列卫星,观测了太阳被木星覆盖时所形成的“掩星”现象,还探索了月球上的陨石坑。但是,当伽利略在1610年把他的那架望远镜对准一颗行星时,甚至他都大吃一惊。

这颗行星看上去和太阳系里的所有其他行星都不同。在17世纪的望远镜镜头中,这颗行星是一颗明亮的星星,它的两侧有两颗稍暗的星星紧密相伴——这模糊地暗示着,这颗行星有着壮观的环。

这颗行星就是土星。在发现了土星的环之后,伽利略做了一件和土星一样不同寻常的事。他想把自己见到的壮观奇景告诉给所有人,但在他进一步研究这颗令人迷惑不解的行星同时,他又想为自己的工作保密。于是,他用密码公布了自己的发现。密码译出后,意为“我观察到了由3部分组成的行星最高形式”。

现在,只需要使用在任何百货商店里都能买到的普通天文望远镜,任何人都能比伽利略更清晰地观察到土星的环。然而,土星的环对现代人来说,仍和400年前一样是一个谜。

任何初次观测土星的人,都会在望远镜前惊得目瞪口呆。

美国航空航天局艾姆斯研究中心的天文学家杰夫·古奇说:“尽管已过去了这么长时间,我们仍不知道土星的环起源于什么。”天文学家们曾经认为,土星的环是与土星同时形成的——4.8亿年前,太阳和太阳系中的所有行星均从旋转的星际气体云中聚合而出。古奇说:“但是,近来有越来越多的天文学家意识到,土星的环其实不应该像土星本身那么古老。”

古奇猜测认为,几亿年前——也就是最早期的恐龙在地球上游荡之时,土星还没有明亮的环。接着,发生了惊天动地的事——一颗来自太阳系外侧、月亮般大小的天体在从土星附近飞过时,被土星强大的潮汐力撕裂成碎片;或者,一颗小行星撞击了土星已有的卫星之一,也产生了大量碎片。这些碎片包围了土星,最终就形成了今天所见的土星环。

组成土星环的粒子大小从不到1毫米至几米不等。古奇说,如果把这些粒子聚合在一起,就可形成一颗直径达100~200千米的冰质卫星——就像土星今日的卫星米马斯。

土星的环之薄,简直令人惊奇。古奇说:“土星的环有25万千米宽,却只有几十米厚。如果把它的面积看做是旧金山市那么大,那么它的厚度还不到一把剪刀刃的万分之一。”

土星的环为什么会这么薄呢?古奇认为,土星的环最初像油炸面圈那么“胖”,但环中粒子之间的碰撞是非弹性的,随着时间的推移,环就变得越来越扁平,越来越薄了。非弹性碰撞是指像两团泥土碰在一起时那种不产生反弹的碰撞。如果环中粒子发生了较大规模的上下垂直运动,碰撞效应也会阻碍这些运动。这样,环中粒子最终就“定居”在了它们的平均轨道面上,环也就从油炸面圈变成了老式的留声机唱片形状。

至于为什么说土星的环还很年轻,古奇认为有两个理由。首先,土星的环很明亮,还像新的东西一样闪光。这初看有些不可思议,但细想一下随着土星围绕太阳运行,伸展得很宽的土星环会扫荡由彗星和小行星碎片组成的太空尘埃;假如土星环比几亿年古老得多,那么长期累积的太空尘埃就会令环变暗。而当今所见的土星环很明亮,因此暗示它并不古老。其次,在土星环的最远区域运行的小卫星会盗取环的角动量。古奇推测认为:“在未来几亿年中,土星环的外半层会朝着土星本身坍塌,而那些被称为‘牧羊星爷的小卫星则会被抛向远方。这是一种年轻的动力系统。”换句话说,如果土星环不是这么年轻,上述后果早就该出现了。

也许很难想象,在上述两个理由中,第一个(即明亮的环)比第二个(即角动量)更不确定。古奇解释说:“因为我们还不清楚土星轨道中是否有足够的尘埃来玷污土星环,并让环变暗。”

20世纪80年代早期,当“旅行者”号飞船探访土星时,曾拍下了土星的许多近距离照片,显示土星环中有许多奇怪的现象,包括“棍子”“辫子”和“波纹”,其中一些“波纹”呈螺旋状。古奇认为,如果哪位宇航员有朝一日能在土星环中飞行,就会发现这些“波纹”其实是一些不太剧烈的隆起——高几千米、宽几百千米,它们每几天或几周绕土星环运行一圈。这些螺旋形“波纹”是由来自土星卫星的引力拖曳而形成的,而这些卫星正是吞噬土星环角动量的那些“家伙”。

土星环中诸如“棍子”“辫子”以及不规则“波纹”等其他怪异现象,目前仍然是谜。其中一些可能是太空岩石钻进土星环时的迹象,另一些则可能是尚未被发现的更小卫星在土星环中“乘风破浪”时的迹象。究竟是否如此,将环绕土星数年的“卡西尼号”

应该能找到确切答案。

在许多科幻小说中,外星人都对土星感到惊讶不已,就好像它们自己的太阳系中没有像土星这么美丽的有环行星。按照古奇的说法,土星的环或许真的是罕有的奇观。“如果土星的环正如我们所想象的那样短命,我们真的应该为现在还能看到它而感到幸运!”

实际上,我们的太阳系中还有其他大行星也有环,但它们的环远不如土星的环明亮,也比土星环的质量小许多。现在已知,当木星的卫星遭到陨星撞击时,飞出的残片就形成了木星的环。但还无人知道,海王星和天王星的暗色的环是由什么构成的,不过,古奇认为它们也是由小行星撞击小卫星时飞出的残片形成的。

如果古奇的猜测无误,数亿年之后,土星的环将向内塌陷,那时我们的太阳系将比现在逊色一些。也许,那时的人类星际旅行者将在其他银河系里看见数不清的有环行星,反而不再关心土星发生了什么事了。另一方面,也许土星的环确实是银河奇观,遥远未来的超级工程师们将能测量并保存它。

究竟如何,无人知道。我们能确信的只是土星环现在还很可爱。如果它真的正在消失,那就不仅可爱而且珍贵了。所以,千万不要丢掉观测、欣赏它的机会哟!

由甲烷迷雾引发的猜想

太阳系里的所有行星,除了地球之外,火星可以说是公认最有孕育生命潜力的了,可能现在有生命存在,也可能是曾经有过生命。火星有许多与地球相似的特性,例如,形成过程、早期气候史、有水储存,以及火山和其他地质活动,等等,这些可能正是微生物所需要的。

而另一个经常被列入讨论,认为可能有外星生物存在的,则是土星的最大卫星——土卫六(Titan)。刚生成的土卫六,曾经有利于生命前驱分子形成的环境,有些科学家相信土卫六上曾经有过生命,甚至可能现在就正有生命存在着。

这些可能性更引人关注的是,天文学家研究这两个天体时,都侦测到一种经常伴随生命出现、与生命息息相关的气体——甲烷。火星上的甲烷量虽不多,但很显着;而土卫六则几乎为甲烷所覆盖。

甲烷来自生物的可能性,不亚于来自地质活动的可能性,就算在土卫六上不是,至少在火星上是如此。这两种可能性以不同的方式解释甲烷的出现,而且都相当合理,这显示我们在宇宙中或许没有那么孤单,不然就是在火星与土卫六的地底下,都有大量的液态水,并且伴随着出乎意料的地球化学活动。如果能够了解这些天体上甲烷的来源与命运,将可以得到至关重要的线索,我们得以更了解太阳系内甚至太阳系外那些类似地球的天体,包含其形塑过程、演化和生命存在的可能性。