星環“迷霧”

張唯誠

發現星環之路

在天文望遠鏡誕生前，人們用肉眼是看不到星環的，但望遠鏡一經問世，一些簡單的記載便表明最早的望遠鏡使用者可能隱隱約約地發現了星環。1610年，伽利略使用望遠鏡觀察土星。他的觀測記錄表明，他發現土星旁邊有兩個類似“耳朵”的東西，似乎土星是由一大二小3個天體組成的。伽利略懷疑這兩個“耳朵”是土星的兩顆衛星，然而令人奇怪的是，它們看上去并沒有環繞著土星公轉。伽利略無法解釋這種現象，他將土星描述成“由三個部分組成的行星”。

其實，那“兩顆衛星”就是土星的星環，只是伽利略的望遠鏡倍率太低，星環并沒有清晰地顯示出環的形狀。1655年，荷蘭科學家惠更斯使用更精密的望遠鏡觀察土星，完整的星環才第一次呈現在人們面前。因而，惠更斯成了第一個確認土星星環的人。

另一個模糊的記載是有關天王星環的。天王星的發現者是英國天文學家威廉·赫歇耳，那是在1781年。幾年后，赫歇耳在他的觀測筆記中寫下了這樣一句話：“1789年2月22日，一個可疑的星環?！币恍┭芯空哒J為，這個記載表明，赫歇耳在1789年可能觀測到了天王星環。但僅憑這個簡單的記載，人們無法確定他是否真的觀測到了星環。天王星距離地球很遠，那時的望遠鏡應該很難觀測到它的星環，加上從1789年到1977年的這段時間里，從未有人聲稱觀測到了天王星的星環，說明天王星的星環的確不容易被一般的望遠鏡所發現。

現在，人們公認的天王星環的發現時間是1977年3月10日。那天，天王星運行到一顆編號為SAO158687的恒星前面，把這顆恒星遮擋住了。這種現象被稱為“掩星”，通常是研究一顆遙遠行星的好機會。利用掩星現象，天文學家們可以研究星光的變化，從而獲取行星的諸多信息，也可以借此發現星環。果然，天文學家們在觀測這顆恒星的時候，記錄下恒星的亮度閃爍了好多次，這樣的閃爍通常是行星環遮掩恒星造成的。原來天王星也有星環。經過分析，科學家們確認，天王星的周圍存在9個星環。1986年1月24日，“旅行者2號”航天器飛掠天王星時發現天王星有11個星環。2005年12月，科學家宣布，他們借助哈勃太空望遠鏡又發現了天王星的2個新環。

進入太空時代后，人們終于知道，在太陽系里，星環并不是稀罕之物，除土星和天王星外，木星、海王星也有星環。1977年，“旅行者1號”和“旅行者2號”探測器發現了木星環。木星環由大量塵埃和碎石組成，反光能力不強，所以并不像土星環那樣容易被發現。海王星的星環，最外層的叫“亞當斯環”，它似乎是由密度很高的塊狀物構成的。海王星還擁有其他星環，都以海王星及其衛星的發現者或觀測者的名字命名，如“勒維耶環”“伽勒環”和“拉塞爾環”等。

天王星和它的星環

海王星的“亞當斯環”（外）和“勒維耶環”

離開海王星軌道，再往遠離太陽的方向搜索，那就到了柯伊伯帶。它從距離太陽大約 30 個天文單位的海王星軌道附近一直延伸到大約 55 個天文單位的地方。那里有一些冰凍天體，由形成太陽和行星的氣體和塵埃的殘余物演變而成，名為“柯伊伯帶天體”。這些冰凍天體的體積通常不大，矮行星——冥王星就是其中之一，當然還有一些體積更小的天體。2002年，科學家們在海王星軌道外發現了一顆直徑為1250千米的天體，取名為“夸歐爾”，中文譯為“創神星”，它的直徑約為冥王星的一半（冥王星的直徑約為2400千米），因而也將它歸于矮行星之列。2023年2月8日，科學家們在這顆矮行星周圍也發現了星環。

小行星、彗星的混合體“女凱龍星”擁有兩個稀薄而冰冷的環（手繪圖）

創神星（手繪圖）

奇怪的星環

星環是怎樣形成的？這是天文學家們在發現土星環后便開始思考的問題，因此解釋星環形成的相關學說也不斷涌現。首先是碰撞說。例如，有人認為，天王星形成不久便遭受了一次強烈的沖撞，沖撞的天體不僅撞歪了天王星的自轉軸，還制造了大量的塵埃和氣體，它們中的一部分匯集到天王星赤道面附近形成了天王星環。

還有一種觀點認為，行星的星環由衛星被行星的潮汐力分裂后形成的碎片組成，這個觀點首先由法國天文學家愛德華·洛希提出，用來解釋土星環的形成。最新的研究表明，土星環可能確實是這樣形成的。研究顯示，土星的一顆衛星原本和其他衛星一起環繞土星運行，但到了距今2億到1億年間的某個時候，它變得不穩定，導致它的軌道過于靠近土星。最后，它便被土星巨大的引力撕裂成了碎片，其中一部分物質墜落到土星上，另一部分則形成了土星環。

此外，還有一種說法，就是在行星形成的時候，一些巖屑殘留在行星周圍。由于巖屑距離行星太近，它們不能形成衛星，只能以分散的狀態存在，于是形成了星環。

這說明，行星和衛星的距離近到一定程度時，潮汐作用就會使衛星傾向于破碎。這個使衛星解體的距離的極限，也是由上文所提及的法國天文學家愛德華·洛希計算出來的，人們稱之為“洛希極限”，它指的是一個天體自身的引力與另一個天體造成的潮汐力相等時的距離。如果兩個天體之間的距離小于洛希極限，那么較大天體的潮汐力就可以將較小的天體撕碎，從而形成較大天體的星環。而在洛希極限以外，由于較小粒子之間的引力起到了主要作用，它們傾向于“相互吸引”，于是會聚集成衛星。

根據洛希極限法則，星環出現在位置上是受到限制的，它不能出現在洛希極限之外，只能存在于洛希極限之內或者附近。此前對星環的觀測和研究都證明了洛希極限的正確性，包括土星環、木星環、天王星環、海王星環，甚至還有小行星環。2013年，天文學家們發現一顆具有小行星和彗星混合特征的半人馬型小天體“女凱龍星”，它擁有兩個光環，都存在于洛希極限之內。

然而，新發現的矮行星——創神星的星環則打破了這一規則。巴西里約熱內盧聯邦大學的天文學家布魯諾·莫爾加多參與發現了創神星的星環，他指出：“創神星的星環處在洛希極限之外，這非常令人不解。假若真是這樣，是否要重新思考行星環的規則了呢？”

破解“星環之謎”?

創神星距離地球很遠，體積又很小，所以能觀測到這顆矮行星的星環并不容易。莫爾加多和他的同事們研究了2018年至2020年間，當創神星遮擋了來自遙遠恒星的星光時所顯示的數據。這些數據采集自世界各地的望遠鏡，這些望遠鏡分布于納米比亞、澳大利亞和格林納達。另有一些觀測數據來自空間望遠鏡。當恒星被創神星所遮擋，其亮度變暗的時間可以揭示創神星的一些細節，比如它有多大、是否有大氣層等。

通過研究，科學家們發現這顆比冥王星小一半的矮行星也擁有星環。更令人驚訝的是，這個星環并沒有遵循規則處在洛希極限以內，而是處在距離創神星中心約4100千米的地方，大致是創神星半徑的7.5倍，是洛希極限的2倍多。這個星環由被冰覆蓋的顆粒組成，直徑大約8200千米。

矮行星——妊神星（左）和小行星“女凱龍星”（中）都有接近洛希極限 （ 黃色） 的星環（ 白色）。但創神星（右）的星環明顯超出了洛希極限

這一發現讓天文學家們集體陷入了沉思：這是否意味著洛希極限要修正了呢？

為了解釋這種異?，F象，莫爾加多提出了幾種假設。他認為，或許環繞創神星的星環是一個正在形成衛星的環，而他和他的團隊只是很湊巧地在星環尚未形成衛星之前看到了它。莫爾加多認為，能遇到這種情況非常幸運，以至于他自己也懷疑這樣的幸運是否真的能夠降臨。創神星還擁有一顆已知的衛星“創衛一”。當然，也許創神星還擁有其他目前人們尚未發現的衛星，這些衛星的引力也許很湊巧地穩定住了這個星環。莫爾加多認為，出現這種情況也是有可能的。

還有一種假設，那就是星環中的粒子因為某種原因難以黏合在一起，它們只能發生碰撞，卻無法聚集成一顆衛星。這樣的情況如果真的發生，那么星環中的粒子就要具備真正的彈性，就像玩具店里的彈球一樣。

針對上述種種假設，為了找出答案，科學家們通常需要建立適用于各種場景的模型，然后將這些模型與對創神星星環的實際觀測結果進行對比，這樣的工作能幫助研究人員確定哪種情況最能解釋他們看到的創神星的星環所呈現出來的不可思議的現象。

科學家對創神星的觀測，還有可能揭示更多正在發生的事情。因為太陽系的其他地方還有可能存在更多奇異的環。莫爾加多認為：“我毫不懷疑，在不久的將來，很多人都會將視線投向創神星，并試圖解答星環的疑問?！?/p>

隨著人類觀測宇宙的技術越來越先進，人們正在發現越來越多的星環。但對于星環的一些古老的疑問，人們似乎并沒有獲得滿意的答案。而諸如“星環在太陽系中是一種怎樣的存在”“它們與環繞主星運行的其他天體存在怎樣的聯系”“太陽系之外又是怎樣的情景”等新疑問還在層出不窮地出現。相信隨著科學家研究的不斷深入和觀測手段的不斷進步，“星環之謎”必將進一步獲得破解。