不得了，天文知识增加了！ | 第25期-

面对未知的宇宙，

人类永远是个好奇的孩子。

“不得了，天文知识增加了！”【第25期】

Q1：

宛陵Louise【提问】为什么有的星星有环，有的没有呢……

A：

说起行星环，人们第一个想到的大概就是自带光环的土星了，毕竟这个形象过于经典以至于深入人心。

带着光环的土星，这是笔者自己用的桌面屏保，由SpaceEngine生成 / 徐鹏晖

可以肯定的是，在太阳系八大行星中，拥有行星环的不止土星一个。除土星外，木星、天王星、海王星也拥有各自的行星环，只不过它们的行星环相对暗弱，难以发现。与之相对的是，四颗岩质行星（水星、金星、地球、火星）目前均未发现有行星环存在。

海王星环的逆光拍摄照片，这张照片是从旅行者2号于1989年拍摄的两张照片拼接而来的，由于海王星环实在太暗，拍摄时只能把过亮的海王星本体移出视野外，分别对两侧的环面单独拍照 / 网络

造成这种差异的原因是什么呢？科学家们猜测行星环的形成和行星本身的质量及引力作用有关。像木、土、天、海这样质量较大的行星，引力作用也更为强大。一方面这会帮助它们吸引到更多的行星际物质作为行星环形成的物质基础；另一方面，更大的质量和引力使得它们具有了更大的洛希极限半径。在洛希极限半径内，类似卫星的完整星体物质在行星的潮汐作用下将无法维持自身形状而被扯碎，形成环绕行星的碎片物质带。以土星环为例，一类猜测因此认为土星环是土星利用自身的庞大质量吸积了行星际空间中的物质而成的。

另一个大类的猜测是土星环源于一颗破碎的土星卫星。这类猜测的一个较早版本认为土星环可能由一颗类似土卫一大小的卫星经历了多次碰撞后完全破碎形成。而另一个较新的版本则认为这颗可能存在过的卫星在土星形成的时期就已经被土星吞噬，但在吞噬过程中这颗卫星的冰质星幔被逐渐扯出卫星主体，形成了一个环状物质带，后经过长时间的演化，形成了今天这个主要由水冰构成的土星环。

J1407b巨大的行星环，由SpaceEngine生成 / 网络

但新发现暗示着行星环可能存在不同的形成机理。2007年科学家发现恒星J1407存在不寻常的凌星现象，而后在2012年，科学家们通过对相关观测数据的详细解读确认了系外行星J1407b及其行星环的存在。令人惊奇的是这颗行星居然拥有一个半径达0.6 AU的行星环。如此巨大的环半径显然已经超出了该行星的洛希极限半径，且根据科学家对观测数据的解读，该行星环内似乎已有卫星正在生成。这提示我们行星环相对于行星的整个生命周期（数十亿年的时间尺度）来说可能不算是稳定的，它的生成和消失是一个动态过程。

带着星环的妊神星，图片长宽比没有压缩，妊神星确实是个蛋形的，图片由SpaceEngine生成 / 网络

此外，除了行星以外，科学家还发现一些小行星也拥有自己的星环。妊神星(Haumea)、小行星10199、小行星2060等星体也被发现存在星环结构，但是这些小天体的引力明显不足以将它们附近的其他天体扯碎。这些发现给星环又蒙上了一层新的面纱，提示我们可能还有未知的星环形成机理存在。

【智能（zhàng）机器人：你问我为什么我也……（叹气）】

Q2：

林冰果【提问】土星的光环是怎么形成的？如果是因为是引力的话那么为什么还会有空隙存在？

A：

行星环的形成机理我们刚才说过了，这里主要解释一下土星环空隙的成因叭。

一种成因是卫星轨道共振。关于轨道共振，最典型的例子就是木星对于小行星带小行星的半长轴分布影响：轨道周期与木星轨道周期成整数比的小行星由于会周期性地受到木星的引力影响，会被拉扯出原有轨道从而无法稳定运行。这个效果放到土星环中同样存在，著名的卡西尼环缝就是土卫一的“杰作”。这个环缝存在的位置，其轨道周期刚好是土卫一的一半。

卡西尼环缝、恩克环缝和土卫十八，由SpaceEngine生成 / G. Cataldo, 2015

还有一种成因是卫星的直接清理。土星环当中也存在土星的卫星，有些卫星会利用其自身引力将其轨道上的土星环物质清理掉，从而留下一个环缝。恩克环缝就是土卫十八清理出来的。

【智能（zhàng）机器人：小卫星胃口不错啊~】

Q3：

外来的阳茗【提问】土星的环为什么宽度与厚度比例差距巨大？

A：

土星环的宽度在10万千米级别（有研究显示可能更大），而其厚度却只有10 米，二者相差近千万倍。对于如此悬殊的宽厚比形成的原因，我们也许可以看看如果土星环比现在要厚得多，会发生什么。

如果将现在的土星环增厚——比如100-1000 千米——并假设它不会因此聚集成卫星，土星环将变成一个“甜甜圈”的形状。由于这一圈东西是以土星中心为圆心旋转的，在“甜甜圈”中心面以外的碎块必然会周期性地穿行于中心面。另外因为“甜甜圈”里的物质是近似均匀分布的，这些碎块在不停上下穿行于中心面的同时又会发生碰撞，久而久之中心面上下两侧的碎块都会因为碰撞相互抵消纵向方向上的速度分量。最后，绝大多数的碎块都会将自己的轨道集中在中心面，形成一个极其扁平的行星环。（这个过程本来应该配张图的，但是SpaceEngine没有天物过程生成功能我画不出来，所以还得麻烦编辑配张图，后期记得把这个括号里的内容删去）

（(இдஇ; )我也画不粗，放几个甜甜圈行吗？）

当然除了行星环自身的特性决定了它不会很厚以外，前面提到的部分土星卫星在一定程度上也发挥着“牧羊人”的作用，维持着土星环的基本形状，使之不会向内外扩散。由于环内粒子的碰撞作用，行星环自身天然有向内外扩散的倾向，而位于环内侧或外侧的卫星可以利用自身的引力，将环内侧的粒子往外推或将环外侧的粒子往内推，从而帮助维持形状。比如土卫十六和土卫十七就是F环的“牧羊卫星”。

土卫十六、土卫十七和F环（两颗卫星中间夹着的那根细线），由SpaceEngine生成 / SpaceEngine

【智能（zhàng）机器人：咩~】

Q4：

外来的阳茗【提问】为什么八大行星只有土星的环这么大？

A：

在四颗有行星环的行星里，土星环的确是最大的行星环。至于为何独独是土星拥有着全太阳系里最大最亮的行星环，我们至今还不清楚（对于行星环人类实在是知之甚少）。

相比起其他行星环，土星环独特的一点是它的主要成分是水冰而非尘埃和岩石碎屑，这赋予了它较高的反射率，使其更容易在顺光视角下被人看见（其余三颗行星的行星环都是由航天器在逆光角度下进行拍摄确认发现的）。此外根据卡西尼号任务最后阶段的数据，土星环的年龄可能只有1000万到1亿年，形成时间不算太长。我们可能在数亿年的时间里正巧赶上了土星环最为壮观的时刻，连侏罗纪的恐龙们都不见得有这个机会看到它（如果它们有相应的观测手段的话）。

【智能（zhàng）机器人：星体：时也命也。】

卡西尼号坠落土星大气想象图 / NASA

Q5：

幸福家园【提问】地球为什么没有星环？

A：

行星环形成首先需要物质基础。地球附近的行星际空间相对比较“干净”，没有能够形成行星环的大量尘埃、水冰、岩屑等物质。其次，地球相对外面那些“巨无霸”来说就是个“小不点”，本身质量小，洛希极限半径也小，要真弄土星那么大个的行星环给地球套上，地球也hold不住，这些行星环物质最后可能会聚成一颗或多颗卫星。目前就有假说认为月球起源于地球附近的一圈环状物质。最后，地球还有月球这么个天然卫星可以帮忙“打扫院落”。就算地月空间里存在行星环，月球也可以通过轨道共振将它们逐渐清理干净，使其无法稳定存在。

然而凡事都不是绝对的，行星环的存在也是一样。和地球同属岩质行星的火星在现阶段也是没有行星环的，但这不代表它以后也不会有。火星的洛希极限距离大约为4500 千米，而火卫一目前正在火星引力的作用下逐渐靠近火星，并将在几千万年后最终面临解体的结局。届时解体后的它将化为火星的行星环，继续照亮火星的天空。

【智能（zhàng）机器人：星环不是你想有，想有就能有。】

火星环想象图 / 网络

Q5：

袭月【提问】如果月球碎成星环，地球会变成什么样子呢？

A：

首先我们来看看，让月球碎成行星环的条件是什么？

假如我们想让月球原地碎裂，仅凭人类目前的力量还无法做到，所以可能的情况应该是一个相对月球来说不算小的外来天体把月球撞了个粉碎性骨折。但这种方式形成的行星环不够稳定，这些在月球轨道上的碎片还是有机会在撞击发生后的一段时间里重新聚集起来形成一颗新的卫星，因为月球最初可能就是从环绕地球的一圈物质环中形成的。

因此我们可以尝试第二种方法，也就是把月球拖进地球的洛希极限以内，利用地球的引力将月球扯碎。但这个方法以目前人类的力量同样是无法实现的，因为这需要把月球拖到离地球只有9500千米的地方，这比起目前的地月距离——38万千米已经算是很近了（这种操作要是玩砸了搞不好就是地月相撞）。

正常的地月距离看起来是这样的，图像由SpaceEngine生成。 / SpaceEngine

但当月球距离地球只有9500千米时…… / SpaceEngine

从地球上看，9500千米处的月球大小会非常恐怖。 / SpaceEngine

但不管如何（在地球OL里开挂），我们还是成功做到了把月球拉进地球的洛希极限以内并扯碎成一个完整的行星环（暂且叫它“地球环”吧），在此之后又会发生什么呢？

一个稍微经过计算就能看出的结果是，会有巨量的月球物质变成陨石砸在地球上。月球的质量着实不可小觑，哪怕庞大如土星环，其质量也不超过月球的千分之一，更别说“地球环”了。因此绝大部分的月球物质将转化为小天体砸向地表，那估计将是一场旷世浩劫。

这似乎不是一个我们能接受的结果——为了一个“地球环”把地球毁了，因此我们再次假(kai)设(gua)月球碎裂后，除了用于形成“地球环”的那部分物质，其余物质都被某种引力过程甩到行星际空间去了，没有直接撞击地球形成危害。接下来又会发生什么呢？

从太空中看“地球环”。 / SpaceEngine

首先由于太阳的潮汐力，潮汐现象仍然存在，只不过涨潮落潮幅度会比原来小，且大小潮现象会消失。另外地球自转轴倾角的变化将比以往更为剧烈，因为失去了月球的稳定作用。与自转轴倾角变化加剧一道，“地球环”将通过对阳光照射的遮挡改变全球气候环境。这些都会对地球的生态系统产生颠覆性的影响。再者，作为“地球环”的附加产品，陨石坠落和流星的发生概率将大大增加，这是因为地球会从“地球环”的内侧逐渐“吃掉”“地球环”的质量（卡西尼号已在土星观测到类似现象）。然而“地球环”对人类科技最直接的影响也许莫过于对航天器发射的巨大阻碍。“地球环”的存在将使得中低轨的卫星、飞船和空间站面临比以往更严重的空间碎片撞击风险，卫星星座组网、导航、通信都将面临前所未有的困难。

从暮光里看天空中巨大的“地球环”。 / SpaceEngine

所以一个“地球环”尽管能让地球无论是从外太空看起来还是从地面向天空看上去都很拉风，但我们在地球上的生活可能不见得比我们之前只拥有一个月球的时候要好。

【智能（zhàng）机器人：来啊，造作啊。】

至少在有月球的时候你偶尔还能像这样把它捏在手里

《中国国家天文》11月刊

感谢奇怪天文知识智囊库的倾囊相助 / 徐鹏晖

科学审核 / 苟利军

策划 / 黄京一怀尘编辑 / 怀尘诺诺

中国国家天文

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《中国国家天文》杂志由国家天文台主办。