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匿名使用者 發問時間: 科學另類科學超自然現象 · 2 0 年前

為什麼土星會有土環?

為什麼土星會有土星環?而其他的九大行星沒有行星環呢?

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  • 彬哥
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    2 0 年前
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    木星也有環西 元 1610 , 伽 利 略 (Galileo) 利 用 他 最 早 的 望 遠 鏡 中 的 一 支 , 發 現 了 土 星 環 , 當 時 他 認 為 那 是 土 星 的 衛 星 。 馬 克 斯 威 爾 (Maxwell) 在 1856 年 時 認 為 , 土 星 環 (Saturn's rings) 不 可 能 是 一 個 完 整 的 環 狀 固 體 ,因 為 它 會 被 土 星 的 重 力 所 摧 毀 。 如 果 將 土 星 環 的 物 質 聚 集 成 一 環 狀 物 體 , 那 土 星 環 的 寬 度 將 小 餘 100 公 里 。 出 現 在 土 星 環 上 的 輻 射 條 狀 花 紋 被 稱 為 輻 射 條 紋 (spokes) , 它 及 土 星 環 的 形 成 原 因 目 前 尚 不 清 楚 。

    參考資料: www.phy.ncku.edu.tw/~astrolab/mirrors/apod/ap980902.html
  • 土星環可說是宇宙中一切奇特、不可思議之事物的象徵。我們看得愈清楚,就愈著迷。過去20年關於土星環的發現幾乎全盤推翻了以前的知識,一個全新的環系統出現了,既複雜又有趣,超越了過去的理論、觀測或想像。(圖說:陽光從卡西尼環縫中穿射而過,使土星環熠熠生輝。)

    土星以外的大行星也有環,而且全都不一樣。即便以天文學的標準而言,行星環還是很奇特的東西。它們是由一些既微弱又違反直覺的力量塑造而成,例如在行星環裡,重力反而會產生排斥物質的效應。現在我們領會到,那些我們曾經以為是靜態的行星環,其實是不停地在變動發展;而我們也認清了衛星和行星環唇齒相依的關係;更重要的是,我們還知道行星環不僅僅是個精緻的現象而已。跟馬克士威一樣,現代的科學家也體會到行星環與星系的相似之處;基本上來說,行星環也是一扇窗口,讓人類能深入探究太陽系古老的起源。

    伽利略於1610年頭一次窺見到土星環,50年後由海更斯將它解釋為環繞著行星的圈圈,而接下來三個半世紀則沒有別的發現。然而一下子在七年之間,科學家便發現另外三個大行星也各有其他的環。第一顆是天王星;1977年,康乃爾大學的艾略特在監視恆星的亮度時,天王星正從前面掠過,他注意到訊號在閃爍。他推論那是一連串稍呈橢圓或傾斜的窄帶,環繞著天王星所造成。1979年,航行者一號太空船觀測到木星模糊的星環。最後在1984年,科學家利用類似艾略特的技術,偵測到海王星環的片段(但不是完整的環)。

    那些令人興奮的日子過了,行星環研究也停緩了下來——直到1990年代中期。自那時起,探究行星環的新時代開始了。哈伯太空望遠鏡、地面望遠鏡以及環繞木星的伽利略號探測船不斷送來觀測資料。土星最模糊的環及其衛星在1995年和1996年才看出來,因為那時候地球與土星的位置恰好使行星環與衛星出現於邊緣,以致減弱了來自主環的光芒。1997年發射的卡西尼太空船,將在2004年7月到達土星,展開為期四年的土星之旅。

    環環相扣

    儘管現今已知的四個行星環系統細節上各不相同,共通的特性仍然很多。它們都有豐富的紋理,由多個同心環組成,環間還有大小不等的間隙。每一個環都是由無數的石塊與冰粒所組成,這些粒子各自環繞著主行星,同時相互推撞。粒子的密度可以由光深度推敲出來,光深度也就是光垂直穿透行星環時,依指數函數衰減的參數。依據粒子密度大小,行星環可分成兩大類。最密的環,例如土星主環(標記為A與B)及天王星環(以數字和希臘字母為標記),光深度可高達4,意思是只有2%的光透得過。最緊密的環所帶的粒子,直徑小自數公分大至數公尺。

    密度較大的行星環系統中,粒子經常碰撞,繞行星一圈就常得撞上好幾回。在此過程中,能量會散失,角動量也會重新分布。因為較靠近行星的粒子跑得比外側的粒子快,而碰撞會拉回內圈粒子(然後掉向行星),並推開外側的粒子(跑離行星),因此行星環就會散開。但是散開需要時間,從這角度,行星環可以看成黏滯的流體,緩慢地向內與向外擴散。土星環實質的動黏滯度與空氣相當。

    密度高的另一後果,就是強化了粒子之間的引力。或許這就是為何天王星環不是那麼的圓:環內的重力在對抗要擴散成圓帶的傾向。

    在另一個密度極小的極端情況當中,已知最模糊的行星環,如木星環與土星的最外環,其光深度只有10-8到10-6。這些粒子就像棒球外野手那樣,散得很開。因為它們難得碰撞,也就不會穩定下來成為扁盤。我們知道光如何由這一類行星環散射出來,由此可以推論,環內粒子是很微小的塵埃,只有微米大小,與一般煙塵差不多。所以這類結構可以說就是煙塵環。由於這些粒子很小,所展現的動態行為頗為特殊,除了受重力影響之外,電磁作用的影響也很大。

    環場指揮

    然而,在行星環系統裡,衛星與粒子並不是孤立的;他們都繞著第三個物體(行星)運動。比較靠近行星的物體會跑得較快;我們暫且假設那跑得快的就是粒子。當衛星與粒子逼近時,衛星的重力會將粒子推上新軌道。這個過程和前面所講的過程不同,是不對稱的:粒子會較為靠近衛星,而強化兩者之間的重力,因而粒子無法回復到原來速度,軌道能量與角動量都減少了。也就是說,軌道從圓形變為稍小的橢圓形。接下來,環內的碰撞會讓橢圓軌道變回圓形,只是半徑縮小了。

    最後的淨效應就是粒子被向內推。粒子之所失就是衛星之所得,只不過因為衛星較重,所以變動的距離較小。如果粒子與衛星易位,角色也就會互換:衛星在內,衛星則將粒子向外推,自己向內跑。無論如何,衛星的引力竟好似在推開行星環中的物質。這奇異的現象並不是因為牛頓定律出了錯,它僅僅是因為兩個物體環繞著第三者,而彼此間又有交互作用並且失去能量罷了。(這種「斥力」和膨脹宇宙理論中的「排斥重力」截然不同。)

    和共振一樣,這個機制也會在環中撬開出環隙來。環隙會一直拉大,直到衛星的斥力與行星環在碰撞時所產生向外擴散的力量達到平衡為止。土星的A環、C環與D環裡都有這類環隙,隔開A環與B環的卡西尼環縫中也處處都是。(圖說:土星環最壯觀了,由圖中可清楚看出A、B環間的卡西尼環縫,以及B環外側的恩克環縫。)

    反過來,這個機制能夠壓縮窄行星環。一束物質旁的衛星,無論位於哪一側,都能像牧羊犬般發揮管束作用,將想逃開的粒子推回去。1978年,加州理工學院的芶瑞區與崔曼,提出這牧羊機制的假設,以解釋為什麼天王星像絲線一般的星環,竟然能夠穩定(譯注:若非這樣,這穩定性就太奇怪了)。天王衛六與衛七使天王星的ε環圍成一圈。土星的F環似乎是由土衛十六與土衛十七看管。當然,多數看得到的環隙以及又窄又小的環,仍然是未解的謎,或許它們是由目前技術仍看不到的衛星所操控。卡西尼太空船也許能夠找出這些幕後的操縱者。(下圖為牧羊過程,需要有兩顆衛星守護在星環的兩側。最左圖1:靠近行星的物體會跑得比較遠的物體快。圖2:內側的衛星趕過位於星環內緣的粒子。衛星的引力改變粒子軌道。圖3:在星環的外緣,粒子趕過外側的衛星,自己也進入新的軌道。圖4:現在改走新軌道的環粒子,會偏折進入環的主體,而發生碰撞。圖5:碰撞後,粒子軌道又回復圓形。結果是粒子被推離了衛星。)

      

    「排斥重力」的另一種效應就是把環的邊緣弄得像扇形皺褶。從衛星的角度來看,很容易理解這些波紋的出現。因為行星環中的粒子源源不絕地流過衛星,當粒子越過衛星時,重力便會將圓形軌道修正成大小約略相等的橢圓軌道,粒子因此不會和行星維持等距關係。如果有人坐在衛星上,他會覺得這些粒子正諧調地前後搖擺著。這個規律的週期運動,其波長會與粒子和衛星軌道之間的距離成正比。

    如果粒子位於衛星軌道外側,形成的波看起來就會落於衛星之後;如果粒子位於外側,則波就超在衛星之前。這就好像一艘船,當一側的水流流速比船身還快時,船跡的餘波就會是如此。本文作者之一(蕭瓦特)分析了土星恩克環縫的扇形皺褶邊,因而找出一顆先前從未現身的小衛星──土衛十八。F環是另一個例子,它起伏規律的紋塊似乎是由土衛十六印製出來的。

    吞雲吐霧

    第三個也是最後一個衛星施加於行星環上的作用,就是吐出和吸入物質。這種效應對於木星周圍那些模糊的微塵環特別重要。事實上,我們一直要等到伽利略號造訪了木星,才了解到衛星的這個作用。在更早之前,航行者太空船已經發現木星環以及兩顆小衛星——木衛十五與木衛十六;它們就靠在主環的外緣。但是航行者的照片還不夠清晰,因此我們看不出衛星究竟在幹什麼。它們是防止星環向外擴散的「牧羊犬」嗎?還是行星環物質的來源(這些物質一旦在軌道上就會向內飄移)?航行者號也看不清行星環外緣模糊的那一片——陪伴著主環,薄輕紗似的行星環。(圖說:木星環。較靠近木星的模糊地帶是暈,外側是薄紗環,兩者間最亮的環是主環。4個白點由內向外分別是木衛十六、木衛十五、木衛五及木衛十四。)

    從伽利略號的影像系統發現,薄紗環在木衛五軌道之外就突然消失了。還有另一個更模糊的薄紗環延伸到木衛十四,但再過去就沒有了。我們其中之一(伯恩斯)去參加了公布這些影像的會議。在回程的班機上,他注意到了一個確鑿的證據:最內側薄紗環的垂直高度,與木衛五軌道傾斜的幅度相等,而最外側薄紗環的厚度,也與木衛十四傾斜的幅度相符。再者,兩圈薄環在它們頂端與底端最亮,顯示有物質在那裡匯聚;這正是當粒子和衛星這兩者軌道的傾斜度相同時,該會發生的事。這麼緊密配合的現象,只有一種最好的解釋:這些粒子是流星體撞擊衛星時,噴發出來的碎片。

    諷刺的是,小衛星反而比大衛星更適合作為物質的來源:它們目標雖小,但是重力也較弱,碎片比較容易逃離。在木星系統中,我們可以推算出最有效的物質供應者,應該是10~20公里大小的衛星,這就大約和木衛十五與木衛十六一樣大。如此便能說明,即使木衛五與木衛十四要更大上許多,但它們製造出來的環反而沒來得那麼龐大。

    一個奇怪的反例則是土星的衛星,土衛二,它足足有500公里寬,但看起來卻像是E環物質的豐富來源。或許這是因為撞擊衛星的並非行星之間的拋射物體;散出的物質反而是環中粒子猛烈撞擊的結果。每一顆撞上土衛二的粒子就會產生好幾個替代粒子,因此E環可以自給自足。若是發生在別處,這種碰撞的結果就是讓衛星吸收了環中粒子。【本文摘自2002年4月號「天際的項鍊」一文。】

    【延伸閱讀】

    行星環多年來緊緊吸引天文迷的目光,Scientific American也曾做過多次精采的介紹:1)天王星環,1987年7月號;2)伽利略太空船的木星之旅,2000年2月號;3)太陽系的行星環,1981年11月號;4)移動中的行星,1999年9月號。

    Observations of Saturn's Ring-Plane Crossings in August and November 1995. Philip D. Nicholson et al. in Science, Vol. 272, pages 509–515; April 26, 1996.

    The Formation of Jupiter's Faint Rings. Joseph A. Burns et al. in Science, Vol. 284, pages 1146–1150; May 14, 1999.

    參考資料:
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    2 0 年前

    有人問過了 還是解答一次吧

    大部分人都以為太陽系中只有土星有漂亮的光環,對天文新資訊稍加注意的人應該知道除了土星以外,其實木星、天王星、海王星等幾個類木行星家族成員都有光環。但只有極少的科學家心裡明白,在地球早期歷史中,我們的行星也有一個由岩石碎片組成的環。美國新墨西哥州立大學的科學家 ─ Peter J. Fawcett 與能源部 Sandia 國家實驗室的 Mark B.E. Boslough 認為,從地質學的角度來看,大約在三億五千萬年前,最近一次的碰撞期中,地球的確可能有一圈短期性的光環。

    這兩位科學家推測,地球的環持續存在了大約十萬至數百萬年之久,這也許可以解釋地質記錄中氣候型態的改變。

    地球環的來源

    Boslough 提到,撞擊,是產生光環的方式之一,現在有越來越多證據顯示地球曾經經歷過一段長期的彗星與小行星轟擊,包括亞利桑納州的大隕石坑、隱沒於地下的尤加敦半島 Chixulub 坑,還有散佈於各大洲至少五個其他的撞擊坑,都被證實是轟極期的產物。

    根據理論和實驗所得的數據都顯示,這些巨大的撞擊力量足以將地表物質拋進太空形成環。當然,也不是凡巨大的撞擊都有可能讓岩石碎片在地球外構成環,還必須具備一定的條件,例如,以低角度轟擊的大型小行星就是最有可能的例子。一些歸類於類曜岩 (tektites) 的地球礦物與隕石碎片就有可能來自地球環。

    Boslough 描述當撞擊體被彈回大氣層時,形成了大片膨脹的蒸汽雲,使其中的岩石碎片獲得足夠的速度進入地球軌道,然後再塌縮至同一平面上,就像土星和其他行星形成光環的機制一樣,而在地球和月球的引力作用下,這樣的環最有可能在赤道面上形成。

    從過去氣候變化的推測

    過去二十年來,科學家們對這類大型撞擊事件對地球環境與氣候會造成的影響進行了深入的探討。Fawcett 表示,「很明顯地,大型撞擊事件會影響整個地球的演化,從生命到大氣環境無一不受波及。」

    許多科學家將研究焦點放在白堊─第三紀 (Cretaceous-Tertiary, K-T) 邊界事件上,這裡有 6,500 萬年前恐龍大滅絕的重大線索。研究指出撞擊事件使當時的大氣高層中充滿塵埃,長期遮蔽陽光,因而使地表溫度降低,造成滅絕。Fawcett 與 Boslough 則把對這次撞擊的研究重心擺在是否可能產生環上。

    如果地球赤道上空有環的話,它的影子會投射在地球熱帶區域造成陰影,就像我們常在照片中看到土星本體上的黑影,這些被環影覆蓋的地區所受到的日照量必然與其他地方不同。兩位科學家便是根據這項推論,以氣候模型來模擬地球如果有一道類似土星 B 環的不透明光環時,全球氣候所可能發生的變化。他們所採用的模型是從美國國家大氣研究中心 (National Center for Atmospheric Research, NCAR) 所發展出來的 「創世紀」(Genesis) 氣候模型修改而來,這套模型中包括了大氣環流資訊、植被、土壤、海洋溫度與雪地等資料,將這些複雜的氣候因素以多部電腦平行分散運算。

    有環的地球世界

    根據電腦模擬的結果顯示,地球赤道上空的環的確會對地球氣候產生巨大的影響,因為環會將大量原本該投射在熱帶地區地表及大氣上的熱反射回太空,導致從赤道到極區的地表與大氣溫度變化梯度、大氣環流型態和雨、雪循環等都受到嚴重衝擊。這些從電腦預測出來的氣候改變或許可以在地球地質記錄中找到,為近代撞擊事件找到一些除了 K-T 邊界以外的其他證據。

    從銥地層與玻隕石的年代鑑定顯示,地球歷史上最近一次大規模撞擊事件約發生在 3,500 萬年前,再從覆蓋在銥層與玻隕石帶上方的沈積物質來看,地球在其後經歷了至少十萬年的寒冷期。而環繞在地球周圍、遮蔽亞熱帶陽光的碎石環正足以持續這麼長的時間。

    發生在大約 6,500 萬年前的 K-T 邊界撞擊又比近代撞擊規模更大得多了,並立即對地球環境造成巨大的改變,但這次的氣候變化並未長期持續,因此推測可能並未生成碎石環。

    雪球地球

    另一個非常有趣的相關模型為「雪球地球」理論。這個理論認為地球在 5.8 億至 7.5 億年前曾四度完全被冰雪封凍,而地球碎石環可能就是證據之一,但也為理論學家帶來另一個棘手的問題:地球是怎麼被冰封的?

    資料來源﹕

    1 SANDIA NATIONAL LABORATORIES

    2. TAS台灣天文網

  • H.A.C.
    Lv 7
    2 0 年前
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