土星及其系统

土星在大小和质量两方面都是行星中仅次于木星的。它在29.5年的时间中环绕太阳一周。当这颗行星可以看见时，观测者也大半不难认出它来，一则因为它的光微带红色，二则因为它的光是固定的，不像它周围的恒星一样闪烁。

虽然土星远不如木星明亮，但它那巨大的光环却使它成为太阳系中最漂亮的一个。虽然别的不少行星也拥有光环，但是像土星那样美丽而巨大的光环却是独一无二的。早期用望远镜的观测者曾经认为土星的光环是一个谜。在伽利略看来它们好像是土星两面的把手，但过了一两年后他却又看不到它们了。我们现在知道这是因为土星在轨道中运动，这些光环的边恰好冲着我们，竟然薄得连望远镜也看不到了。可是这“把手”的突然消失使得那位伟大的科学家大惑不解，据说他怕自己受了什么幻象的欺骗，于是竟停止了观测土星。后来他年纪渐老，把继续观测的工作委托给别人。不久这两面的把手又出现了，可是还无法研究出它们究竟是什么。过了40多年后，这谜才由天文学家兼物理学家的惠更斯解答了，他说明这颗行星周围有很薄的平面光环并不与之接触，却与黄道倾斜。

土星的物理结构

土星的物理的构成跟它的邻居木星有很多的相似点。它们也同样以密度之小而引起人的注意，土星的密度甚至比水的还小。还有一点相近的是自转迅速，土星绕轴自转一周约需10小时14分，比木星自转周期略多一点。土星表面也好像为云状物所变幻，很像木星，但较暗弱，因此不能看得同样清楚。

我们说过的关于木星密度之小的大概起因的话也可同样用在土星上。大概是这颗行星有一个较小但质量较大的中心核，周围被极厚的大气蒙蔽，而我们所见的只是这大气的外层而已。

土星光环的各种变化

巴黎天文台（Paris Observatory）创立于1666年，是路易十四（Louis XIV）王朝时期法国一大科学部门。卡西尼就是在那儿发现了土星光环的环缝，知道了光环实际分为两道，一道在外一道在内，却同在一平面上。外层光环似乎又可以一分为二，发现这一道缝的是恩克（Encke），因此叫做恩克环缝。它绝没有卡西尼环缝那样清晰，只是一道轻影而已。

为了把土星光环的各种变化状态表示清楚，我们先画一幅假如我们能够垂直地看它们（这是万办不到的）时的形状。在图47中我们先要注意卡西尼环缝，它把光环一分为二，一内一外，外环较窄。于是在外环上我们又看到那较模糊的恩克环缝，这应该是比前者更模糊更难看清的。内环上我们注意到它的内侧渐渐暗淡，有一道灰暗的边叫做“土星暗环”（crapering）。这是哈佛天文台的邦德（Bond）第一个描绘出来的，许久以来这都被认为是另外独立的一道光环。但细心的观测却证明图48土星光环平面的方向不变并非如此。这道暗环只是连接着外面的环，而外面的环也只渐渐漂移到这道环上去。

图47　土星光环详图

图48　土星光环平面的方向不变

土星光环向土星轨道平面倾斜约27度，并且当土星绕太阳作公转时仍保持着在空间中的方向不变。这种情形可在图48中见到，这图表示土星绕太阳轨道的远观。当土星在A点时，太阳光照在光环的北方（上方）。7年以后，土星到B点，光环的边向着太阳。过B点以后，太阳光照又到了南方（下方），偏斜度逐渐增加直到土星达到C点，那时偏斜最大，约有27度。以后光环对太阳方面的倾侧逐渐减小，等到了D点时，光环的边缘又对着太阳了。从D点到A点再到B点，太阳光又重新回到了北方。

比起土星来，地球离太阳简直太近了，竟使我们观测土星光环时差不多和从太阳上望去一样。有15年的时间我们可以看见光环的北面，在这时期的第7个年头，我们可以看到它在最大角度上。年复一年过去，角度就越来越小，光环也开始以边的方向对着我们，最后竟缩成一道横过土星的线，最后完全消失不见。以后又渐渐展开，开始展现光环的南面，再过15年再合上——如此周而复始30年一轮回。

图49　倾斜的土星光环

当我们有了这些光环真实形状的概念后就不难明白它们给我们的印象。这些光环在我们的角度看来是永远偏斜着的，却绝不超出27度角。土星及其光环的最常见的形状是如图49所示。光环倾角愈大，对于观测者的我们来说，观察起来就越便利越清晰，那时是观察环缝与暗环的最佳时机。土星的暗影映在光环上呈现出一道缺口的样子。像内环的边一样经过土星上的暗道的，则是光环投射在土星上的影子。

光环的本质

当大家公认我们在地上研究所得的牛顿力学定律也统治着天体运动时，土星光环又引起了一个谜。什么使这些光环保持其位置的呢？什么使土星不奔向内环而闹得“翻云覆雨”毁掉整个美丽的结构呢？在观测证据还未得到时，大家已明白光环绝不是像看来一样连成一片的了。它们在土星的巨大的吸潮力之下绝不能保持联系，它们是由一些类似卫星的环绕行星的小物体构成的。很明显，这种见解最后非得被承认不可，可是在很长一段时期内，却一直得不到观测的证据，一直等到基勒（Keeler）用分光仪观测土星，才发现当光环的光散成光谱时，暗光谱线会发生一些移动。这表明光环各部分是以不同角速度环绕土星的——最外层绕行角速度最慢，越往里角速度越快，一直增加到最内层，而每个点的速度，都等于该处若有卫星时那颗卫星的速度——所以我们完全可以由这个证据判定，土星的光环是由许多非常小的碎片组成的。但是土星（以及其他类木行星）的光环的由来还不清楚，尽管它们可能自形成时就有光环，但是光环系统是不稳定的，它们可能在前进过程中不断更新，也可能是比较大的卫星的碎片。

土星的卫星

除了光环以外，土星也具有卫星众多之优越地位（到2009年，已确认的卫星有62颗）。它们的大小以及离土星的远近都很不相同。其中之一叫泰坦（即土卫六，Titan），可以用小望远镜望见，至于最小的只有在极有力的望远镜中才可看到。

泰坦是惠更斯想弄明白土星光环本质的时候碰巧发现的。其中，还有一个故事是在惠更斯的通信文集公开后大家才知道的。这位天文学家依照当时习惯，想保障他的发现的优先权而又不让别人知道，就把这发现隐藏在一个谜语里。这个谜语也是一些字母，排好了时可以隐晦地告诉读者土星的伴侣在15日内环绕土星一周。惠更斯把这谜语送了一份给英国著名天文学家沃利斯（Wallis）。沃利斯给惠更斯答复，除谢谢他的关心之外，还说他自己也有些话要说，因此也给了一些比惠更斯所给的更长的字母。当惠更斯向沃利斯解释了自己的谜语以后，他得到了沃利斯的答复却大吃一惊，因为沃利斯的谜语解释的一切正是与自己相同的发现，不过当然是用词不同而且长些罢了。直到后来才知道原来是这位专门摆弄数字的沃利斯想告诉惠更斯靠这类谜语隐藏结论毫无意义，因而在看明白了谜意后，自己造了一个同样意思的谜语给惠更斯而已。

值得一提的是，泰坦近年来越来越受到科学家的重视，原因是在那颗卫星上有一个值得注意的大气层。在地表，它的压力大于15万帕斯卡（比地球的高50%）。它主要由分子氮组成（就像地球的），另外仅有6%的氩气和一些甲烷。十分有趣的是，还有一些微量的其他有机化合物（比如乙烷，氢氰酸，二氧化碳）。它们在土卫六的大气层上部被太阳光破坏。这样的结果是类似于在大城市上空发现的烟雾，但要更厚。在许多方面，这类似于地球历史上生命开始出现的早期的条件。

惠更斯在1655年宣布了对土星卫星泰坦的发现以后，就庆贺太阳系的完成了。那时恰有七大七小，正符合了欧洲文化中的一种魔数。但在以后30年中卡西尼就挠乱了这个神奇系统，他又发现了4颗土星的卫星。以后又过了100年，伟大的赫歇耳（Herschel）又发现了两颗。第八颗在1848年经邦德在哈佛天文台发现，第九颗在1898年经皮克林（Pickering）发现……

下面是一张表，其中有它们离土星的距离（以千米为单位）和公转周期，以及发现者的姓名。

这表中最可注意的是这些卫星的距离相差非常远，并且较内层4颗卫星的公转周期间有一种很奇妙的和谐关系，这是由于引潮力的影响。5颗内层的卫星仿佛是自成一群。以后就是一大空隙，比5颗中最里层一颗的距离还要宽；此后才是另外一群二颗，泰坦与海勃利安（土卫七，Hyperion）。再往外又是一空隙，比海勃利安的距离还要宽，此后才是伊阿珀托斯（土卫八，Iapetus），最后才是福比（土卫九，Phoebe），差不多又远了4倍。

伴随着的是公转周期之间的有趣的关系——土卫三的周期几乎恰好是第一颗的2倍，而第四颗又几乎是第二颗的2倍。还有，泰坦周期的4倍几乎正好是海勃利安周期的3倍。

最后提到的这层关系的结果便是，这两颗卫星借引力而产生的极奇怪的相互作用。为表明这一点，我们画了一幅它们二者的轨道图。两者中靠外的一颗，海勃利安的轨道有很大的偏心率，这可由图50中看出。假定某一时候两者正在一线上相合，靠内较大的泰坦在A点，海勃利安恰在外面的a点上。在65日以后，泰坦环绕了4周而海勃利安3周，于是它们又在离上次很近但并不恰好的地方相合了。泰坦将达到B点，而海勃利安到b点。第三次合的地方便在Bb线更上一点，依此例继续下去。实际上这些合的相距比我们能在图上画出的比例还要近的。在19年中这相合点慢慢经过全圆周，这两颗卫星复相合于Aa线上。

图50　土卫六与土卫七的轨道及其相互关系

这相合点绕着圆周慢慢移动的结果就是海勃利安的轨道，或更正确些说是它的较长的轴，也随着这相合点转，因此在两轨道相离最远的地方永远有合的情形发生。图中虚线就表示海勃利安的轨道怎样在9年内绕了半个圈子。

这种作用的有趣的一点就是，据我们所知这在整个太阳系中是独一无二的。不过，就土卫一与土卫三，土卫二与土卫四而言，大概也会有与此类似的交互作用的。

构成这些光环与卫星的物质的交互吸引还有一更惊人的结果：除了最外两颗卫星外，这些物体都恰恰在同一平面上。太阳的吸引如果没有阻碍的话，会在几千年内将这些物体的轨道拉到不相同的平面上去，可是都还对土星轨道平面有同样的倾斜。但是由于它们互相吸引，这些轨道平面都保持在一起，竟好像都紧紧依附着那行星一样。还有值得注意的是最外层卫星绕行星从东往西转，正如同木星的最外层两颗卫星一样。