飛向土星

徐　克

美國(guó)航空航天局的“旅行者l”號(hào)宇宙飛船1980年訪問(wèn)了土星系統(tǒng)，這是其行星際大旅行的最后一站?！奥眯姓?”號(hào)是1977年9月5日離開(kāi)地球的，它于1979年與木星神奇地相會(huì)。對(duì)土星系統(tǒng)的觀測(cè)始于1980年8月22日，其時(shí)這艘飛船與土星尚相距1億多千米。11月12日，“旅行者1”號(hào)在與土星相距126 000千米以內(nèi)的地方經(jīng)過(guò)，在此期間，它與土星的聯(lián)系大大加強(qiáng)，前后持續(xù)約一個(gè)月之久。

土星系統(tǒng)到太陽(yáng)的距離差不多是地球到太陽(yáng)距離的10倍：它與我們這顆覆蓋著水的行星及其惟一的衛(wèi)星(即月亮)迥然不同，它與太陽(yáng)系內(nèi)圈的其他行星——水星、金星或火星——也很不一樣。在太陽(yáng)系外圍的那些行星——包括木星、天王星、海王星以及我們知之甚少的冥王星——中，土星的體積名列第二，它與木星最為相似。由于土星也和水星、金星、火星以及木星一樣，亮得不用望遠(yuǎn)鏡就能看見(jiàn)，所以古代天文學(xué)家早就認(rèn)識(shí)它了。

甚至在宇宙飛船飛往土星以前，科學(xué)家們對(duì)于土星的結(jié)構(gòu)就有了相當(dāng)?shù)牧私?。他們知道，一個(gè)體積像土星那么大的巖石球，其質(zhì)量要比根據(jù)地面測(cè)量得知的土星質(zhì)量大10倍左右。事實(shí)上，即使由水組成一個(gè)同樣大小的天體，它的質(zhì)量也會(huì)是土星質(zhì)量的2倍左右。這些比較告訴我們，土星由較輕的物質(zhì)構(gòu)成。由于土星大氣中最豐富的氣體是分子氫，所以科學(xué)家們認(rèn)為，土星基本上是由所含元素與太陽(yáng)相似的氣體構(gòu)成。這就是說(shuō)，土星應(yīng)由將近90％的分子氫、10％的原子氨以及僅占千分之幾的各種氣體，其中包含著氮、碳、氧和一些含量更低的元素組成。然而，如果土星僅僅由各種氣體構(gòu)成的話，那么它的質(zhì)量就應(yīng)該比科學(xué)家們根據(jù)多年的觀測(cè)研究推算出來(lái)的質(zhì)量更小些。

到1900年，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并命名了土星九顆最大的衛(wèi)星。它們由大而小依次是土衛(wèi)六、土衛(wèi)五、土衛(wèi)八、土衛(wèi)四、土衛(wèi)三、土衛(wèi)二、土衛(wèi)一、土衛(wèi)七和土衛(wèi)九。1966年和1980年，天文學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)三顆較小的土衛(wèi)——1980S1、1980S3和1980S6，它們都很靠近土星。當(dāng)時(shí)形如平盤(pán)的土星光環(huán)正以其側(cè)邊朝向地球，它比往常暗得多，所以才能看見(jiàn)這幾顆衛(wèi)星。在“旅行者1”號(hào)拍攝的照片上科學(xué)家們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了另外三顆土衛(wèi)——1980S26、1980S27和1980S28，它們也很小，比前面那三顆土衛(wèi)更靠近土星本體。

土衛(wèi)六的直徑是5140千米，它比水星稍大，而又略小于火星。其他土衛(wèi)的直徑從土衛(wèi)五的1530千米小到1980S28的30千米。土衛(wèi)與土星中心的距離介于1980S28的137 300千米和土衛(wèi)九的10 583 200千米之間。

就像幾乎所有行星的全部衛(wèi)星(包括我們的月亮)那樣，土衛(wèi)的表面也麻麻點(diǎn)點(diǎn)地布滿了環(huán)形山，這些環(huán)形山是因彗核或小行星之類的小天體與之相撞而形成的?！奥眯姓?”號(hào)的照片送來(lái)了關(guān)于土星系統(tǒng)環(huán)形山密度的第一批資料，科學(xué)家們利用這一信息來(lái)估計(jì)衛(wèi)星表層的年齡。一般說(shuō)來(lái)，表面越老其環(huán)形山密度就越大。此外，衛(wèi)星越小其表面保留的環(huán)形山似乎也越密，這是因?yàn)樾⌒l(wèi)星幾乎沒(méi)有內(nèi)部活動(dòng)。例如，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)一(它是較小的土衛(wèi)之一，直徑390千米)的環(huán)形山密度極高，因此，科學(xué)家們估計(jì)它的表面幾乎起源于46億年以前，即土星系統(tǒng)形成之初。然而，下述事實(shí)卻頗令人費(fèi)解：土衛(wèi)二與土衛(wèi)一是在同一時(shí)期形成的，它僅比土衛(wèi)一稍大一些，直徑500千米，但是環(huán)形山密度卻比較小。一些科學(xué)家認(rèn)為，也許是某種內(nèi)部活動(dòng)已經(jīng)多次重塑了這顆衛(wèi)星的表面。

“旅行者1”號(hào)攝取的其他照片提供了明顯的證據(jù)：一些較大的衛(wèi)星已由于某種原因而變得“光滑”了。土衛(wèi)五的直徑是1530千米，僅次于土衛(wèi)六。土衛(wèi)四的直徑是1120千米，它們的表面上某些地區(qū)的環(huán)形山密度比其他地區(qū)低得多。在這兩顆衛(wèi)星上，較暗背景區(qū)域襯托出來(lái)的明亮纖細(xì)斑紋構(gòu)成了一些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這乃是查明究竟發(fā)生了什么事情的線索。它們表明，在那兒衛(wèi)星內(nèi)部的冰和巖石因內(nèi)壓力作用而在衛(wèi)殼內(nèi)折斷碎裂并推向表面。當(dāng)這種熔融物質(zhì)傾入表面時(shí)，它就會(huì)灌滿環(huán)形山。由于放射性元素衰變而產(chǎn)生的熱也許在這些衛(wèi)星的頭10億年間創(chuàng)造了重塑衛(wèi)星表面的大部分物質(zhì)，那時(shí)正是這些衛(wèi)星上放射性元素最豐富的時(shí)代。后來(lái)，它們衰變了，產(chǎn)生的熱量減少，衛(wèi)殼變厚，內(nèi)部物質(zhì)再也不能到達(dá)這些衛(wèi)星的表面了。早先大衛(wèi)星的熱量可能還致使某些較重的巖石成分往中心下沉，而水則升向表面。因此它的組成成分可能隨深度而變化，越接近表面，水和其他成分就越多。較小的衛(wèi)星因?yàn)樗姆派湫晕镔|(zhì)較少，所以不會(huì)變得那么熱，看來(lái)，在它們的早期并未經(jīng)歷過(guò)這類活動(dòng)事件。

由于土衛(wèi)六是最大的衛(wèi)星，因此科學(xué)家們對(duì)它特別感興趣，他們希望“旅行者1"號(hào)飛到離它足夠近的地方揭開(kāi)它的某些秘密。例如，科學(xué)家們從地面觀測(cè)得知，土衛(wèi)六是擁有一層名副其實(shí)的大氣的惟一衛(wèi)星，甲烷氣體是該大氣的組成成分之一，但是科學(xué)家們對(duì)于土衛(wèi)六上是否還能發(fā)現(xiàn)其他氣體卻全然無(wú)知。因此，天文學(xué)家們對(duì)土衛(wèi)六上大氣壓的估算大有出入——從地球大氣壓的0.02倍到20倍。由于“旅行者1”號(hào)從距離土衛(wèi)六表面5000千米以內(nèi)的地方經(jīng)過(guò)時(shí)，它發(fā)射的無(wú)線電波穿過(guò)土衛(wèi)六大氣并為后者所偏折，兼之做了其他種種測(cè)量，便使加利福尼亞州福洛阿爾托市斯坦福大學(xué)的埃什爾曼和泰勒領(lǐng)導(dǎo)的“旅行者1”號(hào)無(wú)線電科學(xué)小組對(duì)某些基本問(wèn)題做出了回答。他們得知在太陽(yáng)系內(nèi)除了地球以外，土衛(wèi)六乃是大氣中含量最豐富的氣體為氨的惟一天體。土衛(wèi)六的大氣也含有百分之幾的甲烷，千分之幾的分子氫，以及痕量的乙烷、乙炔和氰化氫。土衛(wèi)六上的大氣壓是地球大氣壓的1.6倍。

“旅行者1”號(hào)除了幫助科學(xué)家們?cè)鲞M(jìn)對(duì)土衛(wèi)的了解外，還使他們豐富了有關(guān)土星光環(huán)的知識(shí)。1655年，惠更斯首先認(rèn)識(shí)到光環(huán)是又薄又平的盤(pán)狀物，它位于土星赤道平面上，但不與土星本體相接觸。從那以后長(zhǎng)達(dá)200年，絕大多數(shù)科學(xué)家都相信環(huán)是一薄層固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)。后來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋于1857年從數(shù)學(xué)上證明，具有上述結(jié)構(gòu)的環(huán)將會(huì)被土星的潮汐力拉碎而分裂，很小的擾動(dòng)就能使它們無(wú)法保持以土星本體為中心的分布。麥克斯韋說(shuō)，土星環(huán)必定是由許多小物體組成的，它們?cè)诒舜霜?dú)立的軌道上圍繞土星本體運(yùn)行。賓夕法尼亞州匹茲堡阿勒格尼天文臺(tái)的天文學(xué)家基勒于1895年證實(shí)了這種數(shù)學(xué)推理的結(jié)論。他測(cè)量了土星環(huán)不同部分的速度，發(fā)現(xiàn)靠里的部分轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快，這就證實(shí)了環(huán)是由無(wú)數(shù)小塊物質(zhì)組成的。

土星光環(huán)包含許多個(gè)體這一事實(shí)對(duì)它的厚度頗有影響。環(huán)粒子間的碰撞使它們彼此之間的相對(duì)速度趨于一致，這樣它們的速度就不再變化，它們差不多在同一平面上以相同的速度繞著土星運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，這些粒子不會(huì)散開(kāi)，而整個(gè)光環(huán)則始終保持著區(qū)區(qū)幾千米的厚度。

在“旅行者1”號(hào)飛船之前，有些科學(xué)家認(rèn)為某些土衛(wèi)——尤其是土衛(wèi)一——的共振決定著光環(huán)的分裂方式。當(dāng)一個(gè)環(huán)粒子的軌道周期恰為某一土衛(wèi)公轉(zhuǎn)周期的簡(jiǎn)單分?jǐn)?shù)時(shí)，共振就使在此情況下出現(xiàn)的引力效應(yīng)大大增強(qiáng)了。但是，在“旅行者1”號(hào)拍攝的土星照片上可以看到的大部分精細(xì)結(jié)構(gòu)卻不可能是由這類共振所致。現(xiàn)在科學(xué)家們認(rèn)為許多精細(xì)結(jié)構(gòu)是由一些小衛(wèi)星造成的。這些衛(wèi)星嵌在光環(huán)中，直徑也許只有1千米。它們的引力效應(yīng)可以推開(kāi)位于其附近且比它們小得多的粒子。

除了土衛(wèi)九以外，所有的土衛(wèi)皆由一團(tuán)扁盤(pán)狀的塵埃氣體形成，而這些塵埃氣體則是形成土星的坍縮過(guò)程行將結(jié)束時(shí)剩下來(lái)的。塵埃粒子和星云逐漸冷卻時(shí)，由凝聚氣體形成的冰結(jié)合起來(lái)，成為一些甚大的天體——衛(wèi)星。土星星云的溫度是這些衛(wèi)星化學(xué)組成的決定因素之一，而土星早期發(fā)射的過(guò)剩熱量又控制著土星星云的溫度。如果這一理論正確的話，那么土星的內(nèi)衛(wèi)星就應(yīng)該包含有大量的水冰?！跋闰?qū)者”和“旅行者1”號(hào)的資料有利于肯定這一理論，因?yàn)樗鼈儽砻魍列堑膬?nèi)衛(wèi)星平均密度甚低——與典型的水冰密度相當(dāng)。

土衛(wèi)九是離土星最遠(yuǎn)的一顆土衛(wèi)，它可能是在太陽(yáng)星云內(nèi)的其他地方形成后，被正在形成中的土星俘獲的?？茖W(xué)家們猜想土衛(wèi)九是一顆被俘獲的衛(wèi)星，原因是它繞土星公轉(zhuǎn)的方向與土星自轉(zhuǎn)的方向相反。此外，它的軌道不很圓，且與土星赤道面有30°的傾角，所有這些恰與其他衛(wèi)星形成了鮮明的對(duì)照。

土星的早期星云也許已經(jīng)冷得足以使主環(huán)所在的范圍內(nèi)凝聚水冰。這些水冰粒子形成時(shí)很靠近土星本體，所以潮汐力會(huì)阻礙它們結(jié)合成一顆大衛(wèi)星。雖然“旅行者1”號(hào)飛船告訴我們木星也有一個(gè)環(huán)，但是與土星環(huán)相比，前者要小得多，而且看來(lái)是由石物質(zhì)組成的。這一差異可能反映了早期的木星星云和土星星云在溫度方面有何差異。

如果說(shuō)“旅行者1”號(hào)所報(bào)道的土星環(huán)大粒子表示了土星附近粒子生長(zhǎng)的極限，那么，這些環(huán)就向我們展現(xiàn)了一幅令人著迷的畫(huà)面：它顯示出在土衛(wèi)形成過(guò)程中某一階段的狀況。