土星探测飞船卡西尼号已于 1997 年 10 月 15 日升空,将于 2004 年 7 月 1 日抵达土星。 人类在有史以前就已经对土星进行了观测。1610 年,伽利略第一次通过望远镜对它进行了观测,并记录下了它奇特的运行轨迹。早期观测土星非常困难,这是因为每过几年地球就要穿越土星光环所在的平面。直至 1659 年惠更斯推断出光环的几何形状后情况才有所改变。土星一直被认为是太阳系中唯一拥有光环的行星。但 1977 年人们发现天王星也有暗淡的光环,此后不久在木星和海王星周围也发现了光环。 土星是距太阳的第 6 颗行星,赤道直径 119,300 千米,在太阳系中位居第二。1980-81 年旅行者号飞船的探测给人们带来了许多有关这颗行星的知识。土星的飞速自转使它的两极明显地扁平。土星自转一周 10 小时 39 分,公转一周为 29.5 个地球年。 土星大气的主要成份是氢,另外还有少量的氢和甲烷。土星是太阳系中唯一密度比水小的行星,要是把它扔进一个足够大的海洋,它肯定会浮在水面。黄色的土星表面有明显的宽阔条纹,这和木星非常相似,但不如木星来得鲜明。土星大气内部风速极高。在赤道附近风速可以达每秒 500 米。在土星的南北极也有与地球相似的极光。 |
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巨大的光环使土星成为太阳系里一颗非常美丽的行星。土星的光环其实可分成几个不同的部分,最明亮、宽阔的是 A 环和B 环,较暗的是 C 环。光环的各部分之间有明显的裂缝,最大裂缝的是 A 环和 B 环间的的 Cassini 裂缝,它是由 Giovanni Cassini 在 1657 年发现的。A 环内的 Encke 缝则是由 Johann Encke 1837 年发现的。通过飞船的探测,人们还发现较宽的光环其实是由许多狭窄的小环组成的。
光环的形成原因还不十分清楚,据推测可能是由彗星、小行星与较大的土卫相撞后产生的碎片组成的。光环可能含有大量的水份,构成它们的是直径从几厘米到几米的冰块和雪球。某些光环,如 F 环的结构在邻近的卫星引力拉扯下结构发生了细微的变化。
科学家在“旅行者”号飞船发回的一张图片中发现,土星宽阔的 B 环上带有放射状的阴影,但在“旅行者”号此后拍摄的其他图片中却没有。据推测,这一现象可能因为光环在某些时候带有静电,漂浮在宇宙中的尘埃被吸附而造成的。 |
土星有 18 个经确认的卫星,是太阳系中拥有卫星数量最多的行星。人们还从“旅行者”飞船拍摄的图片中找到了四个可能存在的新卫星。1995 年,科学家通过哈博太空望远镜发现的四个天体也可能是新卫星。
在土星的卫星中,只有土卫六 (Titan) 拥有明显的大气层。大多数卫星同步自转,但土卫七 (Hyperion) 与土卫九 (Phoebe) 是个例外,它们的轨道是无规则的。土星的卫星系统非常稳定,多数卫星的轨道都是近圆形的,并都处于土星的赤道平面上,而只有土卫八 (Iapetus) 和土卫九 (Phoebe)是例外。
土卫一 (Mimas) 土卫一是距土星最近的卫星之一,几乎全部由冰构成。其冰冻的表面曾经受到过剧烈的碰撞,地表到处都是陨坑。土卫一上有一个直径 130 千米,深 10 千米,英文名叫 Herschel 的巨大陨坑,坑中央有一座高 6 千米 的山峰。形成这个陨坑的碰撞差一点将土卫一整个击碎。在与其相对的另一半球还可以看到此次撞击造成的裂痕。
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土卫二 (Enceladus) 土卫二也是距土星最近的卫星之一,表面温度只有零下 201 摄氏度。它的外观与土卫一非常相似,但比土卫一更光滑、明亮。与土卫一不同的是,土卫二至少有 5 种不同的地形。其部分地表有直径在 35 千米 以下的陨石坑群,而在某些区域则没有陨坑。这说明在较近的地质年代有过重建运动。土卫二的表面还分布着裂谷、平原、丘陵等地质型态。在它的内部可能有一个,或者曾经在亿万年前有过一个液态的核。土卫二的运行轨道在土星和它的大个儿邻居土卫三、土卫四的引力影响下被扰动。
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土卫三 (Tethys) 冰冻的土卫三和土卫四、土卫五很相似,它也几乎全部由水冰构成。其表面也布满了陨石坑和冰的断层。土卫三曾经有过一个活跃的内核。在它的西半球,有一个巨大的称为 Odysseus 的陨石坑,直径达 400 千米,相当于土卫三自身直径的 40%。如此剧烈的碰撞却没有将土卫三撞碎,唯一的解释是时它可能还是液态的,或者至少是不完全的固态结构。这个陨坑现在已经相当平坦,没有像在月球和水星上到处都能看到的高耸的环形山和中央山峰。土卫三上还有一条巨大的峡谷。这条峡谷宽 100 千米,深 3 到 5 千米,全长 2000 千米,几乎横贯土卫三全球。
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土卫四 (Dione) 土卫四是土星卫星中密度最大的一个,主要由冰水混合物组成。它很类似于土卫五,但比土卫五要小。它们有许多相似的特性。在背朝土星的半球上,有一些明亮的条纹和陨坑。条纹覆盖于陨石坑之上,这表明它们还比较年轻。朝向土星的半球有很深的陨石坑。土卫四在形成的初期是十分活跃的,某些运动如冰火山的喷发重塑了其大部分的地表型态。
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土卫五 (Rhea) 土卫五与土卫四相似,它们都同步自转,但土卫五比土卫四要大。它主要由混合着冰水的岩石组成。面向土星的半球遍布陨坑,但地势较为平缓。而在另一半球上有网状的条纹,陨坑较少。土卫五的地质历史与土卫四的相似。
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土卫六 (Titan) 人们一直都以为土卫六是太阳系中最大的卫星。但最近的观察结果表明,土卫六的大气层非常厚,实际上它的固体表面比木卫三的要小一些。尽管如此,土卫六还是比水星和冥王星都要大。 土卫六被一个很厚的不透明的大气层所包围,在可见光下根本看不到它的表面。在“旅行者”飞船发回的图片中,可以看到它的南北半球的颜色有细微的变化。通过哈博太空望远镜的红外线观测,我们还能见到地表的某些特征。 土卫六的整体特征可能与木卫三、木卫四、海卫一以及冥王星相似。它是由近一半的冰和一半的岩石构成的。它有一个直径 3400 千米的石质地核,其内部可能还是炽热的。尽管在地质构成上与土卫五和其它土卫很相似,但是它的密度更大。这是因为它的体积较大,在自身的引力作用下会不断地变得更致密。 在太阳系的所有卫星中,土卫六的大气层非常值得关注。它的地表气压大于 1.5 巴。主要大气成分是氮。另外还有 6% 的氩、甲烷和一些微量的有机化合物如乙烷、氢氰酸、二氧化碳等。它的大气成分和地球上生命诞生初期的大气成分很相似。土卫六自身没有磁场。土卫六的地表温度大约是 94 开氏度。在这个温度下,冰不会升华,地表的水也无法参与大气的化学变化。尽管如此,似乎还有许多化学变化不断进行着。这最终可能会形成许多很厚的烟雾。在距地表约 200 和 300 千米 的上空可能存在着两个云层。乙烷云会产生液态乙烷雨降到地面。有人认为在土卫六的地表可能会有一个深 1000 米 的乙烷和甲烷组成的“海洋”,但最近的射电观测已经开始质疑此说法。 哈博太空望远镜的图片显示,在土卫六朝向土星的半球上有一个巨大的明亮“大陆”。这一些结果尚不能证明液态“海洋”的存在,只能证明在土卫六的表面有一个巨大的鲜明的黑暗区域。卡西尼号释放的惠更斯探测器的降落点就选在“大陆”与“海”的分界处。
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土卫七 (Hyperion) 土卫七是土星的一颗小卫星。它的表面坑坑洼洼,是观测到的最大的外形不规则的卫星。土卫七可能是一颗大卫星被撞击后产生的碎片。它古怪的公转轨道使它屈从于土星的引力并使它无序地翻滚。这颗卫星的自转没有规律,并随着公转不断变化。土卫七和土卫九相比要偏红,且与土卫八上的黑色物质相近。它表面最大的一个陨坑直径约 120 千米,深 10 千米。无规律的外形和被陨石轰击的显著迹象使它的表面看起来像是土星系统中最古老的一员。 |
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土卫八 (Iapetus) 土卫八是一颗奇怪的卫星。它密度仅为1.1,肯定大部分是由冰水组成的。土卫八正对土星和反对土星的半球看上去完全不同。正半球几乎和煤烟一样黑,反面为几乎同木卫四一样明亮。这使得发现者卡西尼说了“我只看得到土卫八的一面,另一面却不能”这样的话。 对土卫八奇怪的特征的一个解释是其正半球被土卫九上撒出的煤质尘埃覆盖。然而,事实上土卫八的颜色与土卫九的并不完全相同。另一个说法是因为土卫八活跃的内部使用。这一难解之谜再加以无法解释的黑白半球分界线形状,更增添了人们的疑惑。
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土卫九 (Phoebe) 大多数土卫都是明亮的,但是土卫九的反照率只有0.05,像煤一样黑。除了土卫九与土卫八,所有的土星卫星公转面与土星赤道面一致。土卫九公转倾斜角近175度(它的北极与土星的正相反)。土卫九的偏心的、逆向的公转轨道和不寻常的反照率说明它可能是一颗被捕捉的小行星或是一个来自 Kuiper 带的天体。土卫九的特别之处还在于它的自转并非同步,这与大多数土星卫星不同。有说法认为,在微小的流星体撞击下,从土卫九上溅落的物质可能与土卫七表面和土卫八逆半球的黑色物质有关。 |
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土卫十 (Janus) 土卫十和土卫十一是一对"双子星",两者公转轨道相差仅50 千米,还不及它们任何一个的半径。它们的轨道运行速度近似相等。它们在运行中每四年就会互相交换位置和运行轨道。一般认为土卫十拥有大于 30 千米的陨坑,但少有直线型地貌。看上去它比土卫十六更古老。
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土卫十一 (Epimetheus) 土卫十一有一个不规则的外形,大小约为 144x108x98 千米。在它表面有几条大小不一的沟槽、山谷和山脊,还可以见到几个直径超过 30 千米 的陨石坑。遍布的陨坑显示它的表面一定有几十亿年的古老历史。下左图中穿过其表面的暗条纹是土星 F 环的阴影。土卫十一和土卫十都处在距土星中心 151,472 千米 或距土星云顶 91,000 千米 的相同轨道上。它们可能由一颗卫星瓦解形成的。如果真是这样的话,这次瓦解必然发生在卫星系统形成的初期。
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土卫十二 (Helene) 土卫十二是土卫四的特洛伊卫星,因为它的轨道与土卫四的轨道相同,并处于它大个儿的伴星前方 60 度处。它的大小约为 36x32x30 千米。 |
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土卫十三 (Telesto) 土卫十四和土卫十三被称为土卫三的特洛伊,因为它们分别处于土卫三前方和后方约 60 度的位置上与土卫三在同一轨道绕土星运行。土卫十三是领头特洛伊,土卫十四是跟随特洛伊。土卫十三的大小是 34x28x26 千米。 |
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土卫十四 (Calypso) 土卫十四和土卫十三被称为土卫三的特洛伊,因为它们分别处于土卫三前方和后方约 60 度的位置上与土卫三在同一轨道绕土星运行。土卫十三是领头特洛伊,土卫十四是跟随特洛伊。它们都是由 B. S 米ith 在 1981 年通过 1980 年的地面观测发现的。土卫十四的大小约为 34x22x22 千米。 |
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土卫十五 (Atlas) 土卫十五是已知轨道位于 A 环外缘的第二颗土星卫星,大小约为 40x20 千米。它可能是土星 A 环的一颗看守卫星。土卫十五是在旅行者号在接近土星时拍摄的图片中发现的。 |
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土卫十六 (Prometheus) 土卫十六是距土星的第三颗卫星。它是从旅行者号靠近土星所拍的图片中发现的。土卫十六可能是土星 F 环内缘的看守卫星。这个卫星的外形非常狭长,其大小约为 145x85x62 千米。在它的北侧有一些山脉和狭谷。可以见到一些直径约为 20 千米 的陨石坑,但比它的邻居土卫十七、土卫十和土卫十一要少得多。土卫十六的密度估计非常低,这表明它本身是多孔、冰冻的。 |
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土卫十七 (Pandora) 土卫十七是已知土卫中距土星的第四颗的卫星。它也是从旅行者号的照片中发现。土卫十七是土星 F 环外缘的看守卫星。它的大小约为 114x84x62 千米,并且被严重撞击过。两个最大的陨坑的直径大约为 30 千米。在它上面看不见有大峡谷或山脊。关于土卫十七的资料非常有限。 |
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土卫十八 (Pan) 土卫十八是已知土卫中轨道最低的一颗,是 1990 年在旅行者靠近土星时拍摄的图片里找到的。土卫十八离土星中心 133,583 千米,处在土星 A 环的 Encke 裂缝中。它的表现像是一颗看守卫星,并撑开了 Encke 缝。它的直径是 20 千米。 |
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可能存在的新卫星
1995 年 7 月 26 日,Lowell 天文台的 Amanda Bosh 宣布发现了至少两个可能存在的新土卫,它们这是在哈博太空望远镜 1995 年 5 月 22 日土星环侧对地球时拍摄的图片中发现的。每15年地球都会穿越土星环所在的平面,这时天文学家们就有机会去寻找那些淹没在明亮的土星环中的新卫星。科学家在 1655 年至 1980 年间藉此机会发现了土星的 13 个卫星。其他卫星是由旅行者号探测器 1980 年飞越土星时证实的。 |