土星的光环系统（三）
——内层区域的环带和环缝（续）

□□ 刘 炎刘 炎

土星的光环系统（三）
——内层区域的环带和环缝（续）

□□ 刘 炎刘 炎

图1 这是哈勃空间望远镜于2004年3月22日拍摄的土星照片，看起来简直像是一件举世无双的完美艺术品！

在天文爱好者的望远镜里，土星和那大沿草帽似的光环恐怕是太阳系天体中最奇丽而又最令人惊叹的一种景象了，而且土星的光环又是行星光环中最壮观而又最复杂的一个光环系统。在土星的光环系统中，除了人们已经熟知的A环、B环、C环和卡西尼缝、恩克环缝等著名带、缝之外，近几十年来的空间探测又发现并命名了许多新的环带、环缝和环弧等细节结构。本文拟对现今我们已经了解的土星的光环系统结构的基本情况及其名称的来历和中文译名等作一些粗略的介绍和探讨。

土星光环系统的内层区域包括从D环到F环之间的主要环带和环缝。图2是土星光环内层区域的径向条形截面图，可简称为“土星环条形图”，由卡西尼号飞船拍摄。

图2 土星光环面内层区域（从D环到F环）的径向条形截面图：左侧是土星表面方向。图中标出了光环系统内层的主要环带和环缝的名称及其位置（离土星中心的距离，单位：千米）。此图像由卡西尼号飞船于2007年5月9日拍摄。

图3 土星光环带，从D环到B环，即图2左侧部分。

图4 土星光环带，从B环到F环，即图2右侧部分。

惠更斯环缝（Huygens Gap）

惠更斯环缝（Huygens Gap）在卡西尼缝的内侧边缘。克里斯蒂安•惠更斯（Christiaan Huygens，1629～1695），荷兰物理学家、天文学家和数学家，土星光环和土卫六的发现者。

惠更斯研究了光学透镜的相关物理原理，发明了惠更斯目镜。他还自己设计制作了一架新的折射式望远镜，放大倍数达50，这比伽利略的望远镜要强大得多。他用这架望远镜进行观测，首先发现了土星的光环。但他一开始尚无把握，于是先发布了一组隐语：

“Aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnooooppqrrstttttuu uuu”

在那个年代，人们对于一些已经观测到的、但还有待进一步确认的重大发现，往往会用一种“隐语”的方式（把一个完整句子的字母打乱后重新排列）先行发布，以保障自己的优先权。经过3年的辛勤观测，到1655年，惠更斯才最终公布了他的谜底，正式宣布发现了土星的光环：

“Annulo cingitur tenui, plano, nusquam cohaerente, adeclipticam inclinato.”

这是惠更斯对土星光环的描述：“土星被一个薄薄的、平坦的圆环围绕着，这个圆环相对于黄道斜交，但与土星没有任何接触。”

他还发现了猎户座大星云等几个星云，并且从星云中分解出了不同的恒星。

图5 首先发现土星光环和土卫六的惠更斯

图6 艺术效果图：成功着陆到土卫六表面的惠更斯号探测器

为了对土卫六的大气层进行深层探测，卡西尼号飞船在靠近土卫六时又释放出了一个子探测器，这个探测器被命名为“惠更斯号”。惠更斯号于2005年1月1 4日成功着陆在土卫六的固体表面，是人类登陆土卫六的第一个探测器。它在降落过程中还与卡西尼号进行了近3个小时的通讯传输沟通。

惠更斯小环 (Huygens Ringlet)

它是在惠更斯环缝之内的一个密集的偏心小环。这个小环的几何宽度和光学深度随着方位角有不规则的变化，这可能是与土卫一的轨道有着2:1的共振关系而引起的，B环偏心的外边缘也可能对它有着相当的影响。在惠更斯环缝的外侧还有许多的环缝。

赫歇尔环缝（Herschel Gap）

弗里德里希•威廉•赫歇尔爵士（Sir Frederick William Herschel，1738~1822），出生于德国汉诺威，英国天文学家及音乐家。一生制作过400多台望远镜，做出过许多重大的天文发现，被誉为“恒星天文学之父”。

1 781年发现了太阳系的第七颗大行星——天王星，1 787年发现了天王星的两颗卫星，天卫三（Titania）和天卫四（Oberon）。1789年又发现了土星的两颗卫星，土卫一（Mimas）和土卫二（Enceladus）。

罗素环缝（Russell Gap）

亨利•诺利斯•罗素（H enry Norris Russell，1877~1957），美国天文学家，恒星的光谱-光度图的发现者之一。1913年他独立地提出了关于恒星的亮度、颜色和光谱之间的统计关系，该关系与丹麦天文学家埃希纳•赫茨普龙的1 91 1年研究结果一样。后来人们就把恒星的光谱-光度图称为赫罗图。

杰弗里斯环缝（Jeffreys Gap）

哈洛德•杰弗里斯爵士（Sir Harold Jeffreys，1891 ~1 989)，英国数学家、统计学家、地球物理学家和天文学家。他于1 939年首次出版的《概率论》一书，对于复兴数学上的贝叶斯概率（Bayesian probability）理论有着重大贡献。杰弗里斯的杰出贡献之一是关于概率的“贝叶斯近似”（也被称为“杰弗里斯优先”），此理论在天文上的应用是关于地球具有液态行星核心的观念。杰弗里斯的工作在1 937年时曾获得皇家天文学会的金质奖章。

柯伊伯环缝（Kuiper Gap）

杰拉德•彼得•柯伊伯（Gerard Peter Kuiper，1905~1973），荷兰裔美籍天文学家，柯伊伯带假说的提出人之一。他于1948年发现了天卫五（Miranda），1949年发现了海卫二（Nereid）。

拉普拉斯环缝(Laplace Gap)

皮埃尔-西蒙•拉普拉斯侯爵（Pierre-Simon marquisde Laplace，1749~1827），法国著名的天文学家和数学家，对天体力学和统计学理论有着开创性的发展。拉普拉斯总结和推广前人的工作，在1 799~1 825年期间写出了著名的五卷本杰作《天体力学》，集各家理论之大成，是经典天体力学的代表著作。书中第一次提出了“天体力学”的学科名称。

《宇宙系统论》是拉普拉斯另一部名垂千古的杰作。在这部书中，他独立于康德，提出了第一个科学的太阳系的形成与演化理论——星云说。康德的星云说是从哲学角度提出的，而拉普拉斯则从数学、力学的角度充实了星云说，因此，人们常常把他们两人的星云说合称为“康德-拉普拉斯星云说”。

贝塞尔环缝（Bessel Gap）

弗里德里希•威廉•贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel，1784~1846），德国天文学家及数学家。他精确测定了岁差常数，还是利用视差法测定恒星距离的第一位天文学家。1810年，他被普鲁士国王腓特烈•威廉三世任命为柯尼斯堡天文台台长，直到去世。1829年和1841年，他曾两度获得皇家天文学会的金质奖章。

巴纳德环缝（Barnard Gap）

爱德华•爱默生•巴纳德（Edward Emerson Barnard，1857~1923)，美国天文学家。1892年，他用目视观测发现了木卫五（Amalthea）。这是继伽利略1 609年发现四颗木卫之后的首次也是最后一次以目视观测的方式发现木星的卫星。1 916年，巴纳德发现了一颗相对于太阳自行最大的恒星。该恒星后来被称为巴纳德星，它也是除南门二（三合星，包括比邻星）以外离太阳最近的恒星，距离地球仅约6光年远。1897年，曾获英国皇家天文学会的金质奖章。

A环（A Ring）

主环最外面的一个亮环，A环和B环之间的分隔缝隙就是卡西尼缝。A环的外侧有一个明锐的边界，那里正好接近一颗小卫星土卫十五（Atlas）的轨道。长期以来，土卫十五被认为是维系A环外侧明锐边界的一个所谓“牧羊犬卫星”。然而，现今一般认为，A环外缘主要是受到两颗更远更大的卫星：土卫十（Janus）和土卫十一(Epimetheus)的7:6的轨道共振的制约。

还有一些其他卫星的轨道共振效应在A环内更激发出许多螺旋密度波，由此可以解释A环中的大多数细节结构。A环之内有两个重要的环缝：恩克环缝和基勒环缝。

恩克环缝（Encke Gap）

恩克环缝（Encke Gap）是A环内一个宽达325千米的环缝，是由环缝中的一颗小卫星土卫十八（Pan）造成的。

图7 A环的细节结构

恩克环缝的中央还有一个小环，土卫十八与这一小环共轨。土卫十八与恩克环缝及中央小环的关系十分奇妙，它的引力维系着恩克环缝的形状，并且清除侵入环中的粒子从而使环缝的边缘保持着明锐的界限：靠近卫星的物质不是被吸引进入环内，就是被驱离这个系统，或是被吸积进入卫星自身之内。其作用与看管羊群的“牧羊犬”极为相似，因而被称为“牧羊犬卫星”。

正是由于这一原因，这颗卫星于1 991年被命名为“Pan（潘）”。在希腊神话里，Pan是众神信使赫耳墨斯（Hermes）的儿子，是掌管树林、田地和羊群的牧神，有着人的躯干和头，山羊的腿、角和耳朵。他还喜欢吹能使人催眠的排笛。

恩克环缝完全位于A环之内，因此，英文名称应为“Encke Gap”。但在以往人们有时也会含糊其辞地称其为“Encke Division（恩克缝）”，这是由于当时对Gap和Division两个词在含义上未加明确区分。2008年国际天文学联合会对此作了澄清，规定只有对于A环和B环以及A环和F环等大环带之间的宽大缝隙才能称为“缝——Division”，而对于大环内部的小环之间的空隙就只能称为“环缝、环隙——Gap”。因此现今对恩克环缝也就只能称为“Encke Gap”了。

约翰•弗朗茨•恩克（Johan n F ran z E n cke，1 791~1 865），德国天文学家，数学家高斯的学生。曾经计算过许多彗星和小行星的周期，其中有一颗彗星后来被命名为恩克彗星，也是已知公转周期最短的彗星之一。他还测量过日地距离，对土星也做过许多观测研究。恩克对于土星A环中亮度的变化曾做过广泛的观测。

图8 恩克环缝的特写：中央的细环与“牧羊犬卫星”土卫十八（Pan）的轨道重合。

图9 A环内的基勒环缝。在环缝边缘可以看到由土卫三十五行经时所引起的波纹。

基勒环缝（Keeler Gap）

基勒环缝（Keeler Gap）是旅行者号飞船1 980年在A环内发现的一个环缝，距离外缘约250千米处。2005年5月1日，又在环缝中发现了一个小卫星土卫三十五（Daphnis）。土卫三十五的作用与恩克环缝中的土卫十八类似，也是一颗“牧羊犬卫星”，维系着基勒环缝的明锐边界。

詹姆斯•埃德瓦特•基勒（Jam es Edward Keeler，1857～1900），美国天文学家。1888年7月他用里克天文台的36英寸折射望远镜发现了土星光环的一个新的环缝，并将它命名为“恩克环缝”。

1 895年，基勒对于土星光环的光谱进行了观测研究，发现光环上不同部位谱线的多普勒位移不一样，这表明围绕着土星旋转的光环上有着较差自转。由此第一次为麦克斯韦关于“光环物质是由为数众多的细小颗粒组成，每个颗粒都独立地环绕着土星运转”的理论预测提供了观测证据。

由于基勒对土星光环观测研究的重大贡献，科学家们把1980年由旅行者1号飞船在土星A环中发现的第二大环缝命名为“基勒环缝”。

洛希缝（Roche Division）

洛希缝（Roche Division）是分隔开A环和F环的暗带区域。宽度3000千米左右。洛希缝中有两颗卫星：土卫十五（Atlas）和土卫十六(Prom etheus)，它们维系着洛希缝的空隙。土卫十五在洛希缝的内边缘，紧邻于A环之外，长期以来一直被认为是A环外侧的一颗牧羊犬卫星。土卫十六在洛希缝的外边缘，紧邻于F环之内，是F环内侧的一颗牧羊犬卫星。

爱德华•阿尔倍特•洛希（Édouard Albert Roche，1820~1883），法国天文学家和数学家。他最卓著的成就是在天体力学领域的贡献，并且有几个重要的基本概念：洛希球、洛希极限和洛希瓣就是以他的名字命名的。

图10 洛希缝（斜向通过图的中心）紧邻于A环之外，A环中的恩克环缝和基勒环缝清晰可见。洛希缝外侧的细环则是F环。

洛希关于土星行星环形成的理论也许是他所有理论中最著名的一个，他认为曾经有一颗极其巨大的卫星因过度接近土星，而后被土星推开，最后又被引力撕碎，碎片就形成了如今的光环。

他提出了一种计算方法，可以算出由于引力所产生的潮汐力作用的大小，而且当一个物体向另一个物体靠近到何等距离时就会被撕碎，这个距离后来就成为著名的洛希极限。

请注意，洛希缝是一个“缝——Division”，是分开两个环带之间的缝隙，而不是处于某一环带中的“环隙——Gap”。而且此处的“洛希缝”仅是指土星光环中在这个位置上的一个大环缝，而与土星的“洛希极限（Roche limit）”无关。

F环（F Ring）

F环是土星环内层中最外面的孤立环带，位于A环外侧3000千米之外，十分狭窄，宽度只有30～500千米，1979年被“先驱者11号”探测器的影像小组发现。F环可能是太阳系中最活跃的环带系统，它的外形几乎每小时都在改变着。

图11 洛希缝和F环的位置

图1 2 F环和分别在环带两侧的两颗牧羊犬卫星：右侧是土卫十六（P rom etheus），左侧则是土卫十七（Pandora）。

F环的内侧边缘和外侧边缘各有一颗卫星：土卫十六（Prometheus）和土卫十七（Pandora），它们分别维系着F环的内、外侧的边界，因而是F环的两颗牧羊犬卫星。

在希腊神话中，土卫十六的名字普罗米修斯（Prometheus）是提坦神厄庇墨透斯的兄弟，他为人类盗取了奥林匹斯山上的神火，从而触怒了主神宙斯并受到残酷的惩罚。而土卫十七的名字潘多拉（Pandora）则是厄庇墨透斯的妻子，是火神赫淮斯托斯（Hephaestus）用黏土做成的地上的第一个女人，也是主神宙斯送给人类的第一个女人（因普罗米修斯的盗火之举而对人类进行的惩罚），而且还就是那位拥有恶名昭著的“潘多拉之盒（邪恶之盒）”的主人。

（责任编辑 张长喜）