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数据|除了土星，它们也有星环！

数据|除了土星，它们也有星环！
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木星环·1996年11月6日·伽利略号拍摄·图源NASA
说起宇宙探索 ， 读者朋友的脑海里浮现的 ， 一定有航天飞机、火箭、人造卫星这些符号 ， 还有一些长得漂漂亮亮的行星 ， 像是戴着宽宽的草帽 。
这个大草帽的原型 ， 就是咱们太阳系的土星 。 围着它的这个冰雪行星环 ， 使它成为太阳系的颜值担当 。
但你知道吗？其实 ， 四颗大行星——木星、土星、天王星、海王星都是有行星环的 ， 只是另外三位没有土星的这么酷炫罢啦 。 今天 ， 我们就来聊聊天王星和木星的行星环吧 。
怎么就想起来要说它们了呢？因为日子：1977年3月10日 ， 人类确知了天王星环的存在；1979年3月4日 ， 旅行者1号拍到了木星环 。 所以 ， 今天谈谈它们 ， 是把四十多年前的两个发现搁到一起 ， 办个纪念庆典 。
相信你一定留意到了 ， 当提到“天王星环”时 ， 我们用的词是“确知”而不是“发现” 。 这是因为 ， 早在1789年2月 ， 威廉·赫歇耳——对 ， 正是发现天王星的那位大神——就在观测笔记里记下了“February 22, 1789: A ring was suspected……a little inclined to the red.”（怀疑有个环……颜色有点红） 。 可是 ， 他的观测结果在随后的两个世纪内未能确认 ， 成了一条难立的孤证 。 现在 ， 虽然我们知道天王星确实有个环系统 ， 其中几条确实有点红 ， 但当年赫歇耳究竟有没有真的看到它 ， 却成了永远的谜 。
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天王星掩SAO 158687·1977年3月10日·Stellarium软件模拟
1977年3月10日 ， 两位天文学家和一位数据分析师使用柯伊伯机载天文台 ， 飞到12500米的高空去观测天王星掩蔽恒星SAO 158687 。 他们原本只是想研究星光通过天王星大气之后的光谱变化 ， 这样就可以分析天王星的大气成分 。
咦？意外发生了！在天王星遮蔽恒星之前和之后 ， 这颗恒星都短暂地消失了五次 ， 如下图数据所示 。 三位观测者由此判断 ， 天王星有个环系统 ， 至少五条 。 恒星的每次消失 ， 都表示它正从一条行星环身后经过 。 根据观测数据 ， 人们还推算出了五条环的半径在44000~51000km之间 。
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天王星掩SAO 158687时的恒星亮度变化·《自然》杂志1977年5月26日 ， 267期
你可能不信：细细的行星环怎么可能挡得住恒星嘛！这里要说一下 ， 我们伸出一根手指 ， 就可以遮住整个太阳 。 遥远的恒星（SAO 158687距离我们约5800光年）即使在天文望远镜里 ， 也只是一个亮点 ， 并不会像天文模拟软件呈现的那样 ， 被放大成一个火球 。
相比天王星环的传奇故事 ， 木星环的发现就直截了当 ， 枯燥无味：它是旅行者1号飞掠木星时直接拍到的 。 不过 ， 鉴于之前还无人看到过木星环 ， 事先也得有所准备 ， 知道该往哪儿瞧、怎么拍 ， 对不对？旅行者1号就是有备而来 ， 它把镜头对着木星赤道上方的黑暗虚空 ， 曝光了672秒 ， 最终发现了木星环 。
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旅行者1号拍到的木星环·1979年3月4日·图源NASA
在上面这幅照片里 ， 中间的倾斜光带就是木星环 。 每条曲曲折折的亮线都是太空背景里的一颗恒星 ， 它们不是点状 ， 因为672秒的长时间曝光把它们拉成了星迹 。 这些星迹呈波浪状 ， 是因为探测器本身有个78秒周期的振动 。
大家可能会奇怪 ， 木星那么大、那么近 ， 怎么它的光环发现得比天王星还要晚两年呢？还有 ， 发现天王星环的方法 ， 直接套用到木星身上就是了 ， 为什么还非要旅行者1号凑到跟前、几乎瞪瞎眼才能看到？我们比较一下木星环和天王星环的异同 ， 或许能意识到其中的必然性 。
它们的相同之处是二者都黑暗而窄细 ， 不像土星的冰质宽边大檐帽那么bling bling 。 木星环由微米级的尘埃组成 ， 天王星环的原料是直径小于十米的黑暗颗粒 。 在当时的科技条件下 ， 从地球直接观察它们反射太阳光辉 ， 都是几乎不可能的任务（所以赫歇耳的观测记录难以置信） 。
直接观察非常难 ， 就看谁的条件更有利于间接观察了 。
天王星环的材料颗粒个头大 ， 能结结实实地挡住恒星星光 。 相比而言 ， 木星的微米级尘埃可以视作透明 。
天王星的姿态特别 ， 它的自转轴倾斜98°左右 ， 躺在轨道上打滚 ， 是它的日常 。 所以 ， 它的星环和公转面几乎垂直 ， 我们从地球上有机会“俯视”天王星环的全貌 。 从前面的软件模拟可以看到 ， 1977年 ， 天王星环就处于这么一个被俯视的姿态 。 如果发生天王星掩星 ， 那颗恒星不论从哪个角度过来 ， 要想走到天王星身后 ， 就必须杀入圆环套圆环的重围 ， 出现闪烁消失事件 。 而木星环和黄道面基本平行 ， 从地球上只能看到它的侧面 ， 近似一条线段 ， 大概率挡不住恒星 。
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【数据|除了土星，它们也有星环！】恒星被天王星（左）掩蔽时 ， 必然被光环遮挡几次 。 被木星（右）掩蔽时 ， 却有很大几率漏网 。 笔者制图
所以 ， 天王星虽然遥远黯淡 ， 它的星环却早于木星环发现 ， 还是要靠天资+个人努力的 ， 并非全靠运气 。
行星环是怎样形成的呢？目前一般认为有三个来源：一是原本就在行星周围 ， 因为靠得太近（术语称“洛希极限”以内） ， 无法凝聚成一颗大卫星的；二是天然卫星被撞击或自然喷发出的物质产生的碎屑；三是原本成形的小天体 ， 飞到行星的洛希极限以内 ， 被潮汐力撕成了碎片 。
从天王星环内颗粒的反照率、尺寸和星环结构来判断 ， 科学界主流认为 ， 天王星环的含冰量低并且相当年轻 ， 应该是由潮汐力撕碎的小天体形成的 。
尘埃组成的木星环 ， 则有很强的证据认为是第二种来源 。 木星的光环系统由四个尘埃环构成 ， 每个环的外缘边界都非常整齐 ， 并且“很巧”地都各自和一颗卫星的轨道重叠 。 这说明 ， 环内物质是卫星被微陨石撞击后飞向太空、又被向内旋入木星方向的尘埃 。 每颗尘埃本身在环内只能维持千百年左右 ， 但木星大胖子可以源源不断地拽来小天体 ， 持续制造撞击 ， 为光环提供原料 。
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木星的四层星环的外缘和卫星轨道的关系·图源NASA
对行星环尤其是对土星环以外的行星环的发现和认知 ， 确证了探索宇宙的方法的可行性和可靠性 ， 让人类发现了天体的新形式 ， 在心智中搭建起来的“世界” ， 离真实更近一步 。

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