土星(Saturn)

帶來衰老的使者

   星是距離太陽(Sun)第六個位置的行星,也是第二 的行星。
        軌道:    距離太陽 1,429,400,000 km(9.54 天文單位AU ) 
        直徑:    120,536 km(赤道直徑)
        質量:    5.68e26 kg
   羅馬神話中,土星(Saturn)是農業之神,相關的希臘神祇是 克隆納斯(Cronus),他是天王(Uranus)和大地之母蓋婭(Gaia)的兒子,泰坦(Titan)巨神之一,曾經接替他的父親成為統治宇宙之神,後來被 他的兒子宙斯(Zeus,木星)取而代之。土星(Saturn)這個字也是英文字中〝星期六(Saturday)〞的字根。〈見 附錄四

   星在史前時代就已經被注意到了,1610年時的 伽利略(Galileo)則是首次利用望遠鏡進行觀測,他注意到土星非常奇特的外觀,但是他對於這個現象感到非常困惑。早期對於土星的觀測非常複雜,這是因為當土星在軌道上運行時,會有幾年的時間,地球正好穿越土星 所在的那個平面,讓我們和土星環成一直線而無法看見它。於是後來一張低 解析度(resolution)的土星影像徹底地解除了大家的疑惑, 克李斯提 安惠更斯(Christiaan Huygens)就在1659年正確地指出土星環的幾何位置。原本大家都以為土星環是太陽系中獨一無二的構造,直到1977年時才在 天王星(Uranus) 周圍也發現了一道黯淡的環(然後很快又在 木星Jupiter海王星Neptune)周圍也同樣發現了環的存在)。

   星最早是在1979年被先鋒11號(Pioneer11) 所造訪,然後接著有航海家1號(Voyager 1)航海家2號(Voyager 2)。現在還在路途上的 卡西尼號(Cassini)則會在2004年到達土星。

   星從小型的望遠鏡中看起來有一點扁扁的(扁球體oblate),它的赤道和兩極的半徑之間相差了10%(120,536km對108,728km)。這是由於他自轉的速度又快,而其本身又是流體的緣故,其實其他的氣態行星也都是扁球體,只不過沒那麼扁就是了。

   星是密度最小的行星,它的比重(0.7)甚至比水還小。

   木星一樣,土星是由75%的氫和25%的氦所組成,加上非常微量的水、甲烷、氨以及〝岩石〞,這和太陽系形成當時,原始 太陽星雲(Solar Nebula)的組成非常類似。

   星的內部非常類似木星,有一個岩石的核心,一層 液態金屬氫(liguid metallic hydrogen)以及氫分子層,還有非常微量而不同種類的 〝冰〞存在。

   星的內部非常熾熱(核心約有12000k),因此土星輻射出去的能量要比吸收自太陽的多,土星輻射的能量大多源自於所謂 凱文-赫摩玆機制(Kelvin-Helmholtz mechanism),和木星的能量來源相同,不過這還不足以解釋土星的光度,可能尚有其他的機制在進行之中,或許像是土星深層內部的氦元素發生〝大量的原子落塵現象(raining out)〞所造成。

   星表面非常顯著的帶狀特徵,在土星表面並不明顯, 而且赤道附近的帶狀區域也要寬廣許多。土星雲層頂端的詳細情況無法從地球表面觀看得到,因此一直要到 航海家號(Voyager)造訪之後,我們才得以研究土星大氣圈環流的詳細狀況。土星有長期存在的橢圓形狀(右圖影像中央的紅班),和其他類似木星表面常見的特徵。 在1990年時,哈伯天文望遠鏡(HST)在土星的赤道附近發現了巨大的雲層,這在航海家號當時是沒有被發現到的,然後在1994年時,又觀察到了一個小型的風暴(左圖)。

   道顯著的土星環(A和B)和一道比較暗的環(C)是可以從地球上觀測得到的。A環和B環之間的縫隙被稱之為 卡西尼(Cassini)環縫(division),在A環外緣還有一道更暗的縫隙,稱之為 恩克環縫 Encke division (不過這個名字或許有被誤載了人名,因為恩克很可能根本沒觀測到這個環縫)。 航海家號的照片則顯示出另外四道黯淡的環,土星環不同於其他行星環的最大特徵就是它非常地亮( 反照率albedo約0.2-0.6)。

   然這些環從地球上看起來都是連續的,但是實際上它們是由難以估計的小顆粒所組成,每一顆都有它自己獨立的軌道,這些顆粒的大小範圍從一公分到數公尺都有,好像還有幾公里大的物體也在裡面的樣子。

   星環非常地薄:雖然它們的直徑可以達到250,000 km以上,不過厚度僅有1.5 km而已。除了令人印象深刻的外觀之外,土星環裡面還有非常非常多的小東西,如果把土星的環合成一個單一的星體的話,將會超過100公里以上那麼大。

   星環中的顆粒似乎主要是由水形成的冰粒所組成,不過它們也可能是外層包著冰的小石粒。

   海家號確認了土星環中具有令人困惑的輻射狀不均勻性,稱之為〝環輻(spokes)〞,這是由業餘天文學家所首先報導出來的(左圖)。它們的本質至今仍然成謎,但是可能和土星的磁場有點關係。

   星最外圈的環,F環,是由好幾條單獨的小環組成複雜的結構,我們還可以看見那個〝繩結(knots)〞。科學家們推斷那些繩結可能是一坨土星環的物質,或是小型的衛星。我們可以從航海家一號的影像中看見奇怪的辮子狀(右圖),不過航海家二號的影像中就沒有辦法看到,這可能是因為它攝影的角度和土星環大致平行的關係。

   土星的衛星和土星環系統之間,有著非常複雜的潮汐 共振(resonances)現象:有些衛星我們稱之為 〝牧羊人衛星(shepherding satellites)〞(例如 阿特拉斯Atlas普羅米休斯Prometheus、和 潘朵拉Pandora),在維持著環的所在位置扮演相當重要角色;卡西尼 (Cassini)環縫中之所以物質稀少,可能和 麥馬斯(Mimas)的存在有關,這樣的情況和小行星帶中的 克爾克伍間隙(Kirkwood gaps)非常類似; 潘(Pan)衛星則是位在恩克環縫之中。不過由於整個系統非常地複雜,所以我們一直到現在都還無法有更深一層的認識。

   星環(以及其他的類木行星)的由來,至今仍然不為人之。雖然土星環可能是在土星形成當時便一起形成了,但是環的系統並不穩定,它必須有再生的作用持續進行,例如大型衛星的破碎分解,環才能夠維持現在這個樣子。

   其他的類木行星一樣,土星具有顯著的磁場。

   夜晚的時候,土星很容易可以用肉眼 看見。雖然它的亮度不如木星那麼亮,但是因為它不像一般的恆星會〝閃〞,所以很容易辨認。至於土星環和大一點的衛星則可以用小型的天文望遠鏡看到。 有好幾個網站 有顯示土星(以及其它行星)目前在天空中的位置,一些天文儀的程式(像是Starry Night) 則可以描繪出更詳盡地資料及星圖,大家可以多加利用。

土星的衛星

土星有18顆已經被命名的行星
             距離     半徑     質量
  衛 星    (000 km)   (km)     (kg)     發現者     日期
---------  --------  ------  -------  ----------  -----
Pan             134      10     ?     Showalter    1990
Atlas           138      14     ?     Terrile      1980
Prometheus      139      46  2.70e17  Collins      1980
Pandora         142      46  2.20e17  Collins      1980
Epimetheus      151      57  5.60e17  Walker       1980
Janus           151      89  2.01e18  Dollfus      1966
Mimas           186     196  3.80e19  Herschel     1789
Enceladus       238     260  8.40e19  Herschel     1789
Tethys          295     530  7.55e20  Cassini      1684
Telesto         295      15     ?     Reitsema     1980
Calypso         295      13     ?     Pascu        1980
Dione           377     560  1.05e21  Cassini      1684
Helene          377      16     ?     Laques       1980
Rhea            527     765  2.49e21  Cassini      1672
Titan          1222    2575  1.35e23  Huygens      1655
Hyperion       1481     143  1.77e19  Bond         1848
Iapetus        3561     730  1.88e21  Cassini      1671
Phoebe        12952     110  4.00e18  Pickering    1898

土星環

                   半徑     半徑               大約      大約  
名稱               內緣     外緣      寬度   所在位置  質量 (kg)
----              ------   ------     -----  --------  --------
D-Ring            67,000   74,500     7,500    (ring)
Guerin Division   
C-Ring            74,500   92,000    17,500    (ring)  1.1e18
Maxwell Division  87,500   88,000       500  (divide)
B-Ring            92,000  117,500    25,500    (ring)  2.8e19
Cassini Division 115,800  120,600     4,800  (divide)
Huygens Gap      117,680    (n/a)   285-440  (subdiv)
A-Ring           122,200  136,800    14,600    (ring)  6.2e18
Encke Minima     126,430  129,940     3,500   29%-53%
Encke Division   133,580                325       78%
F-Ring           140,210             30-500   (ring)
G-Ring           165,800  173,800     8,000    (ring)  1e7?
E-Ring           180,000  480,000   300,000    (ring)

注意:
  * 距離是從土星中央計算到環的內緣有幾公里
  * "恩克小極限(Encke Minima)" 事業餘天文學家的稱呼,並非 IAU 官方命名。 

這樣的分類事實上或多或少會造成一些誤導,像是物質粒子的密度就是一種非常複雜的方式在改變,而非僅僅是由環縫切割成一快快分割的區域,在同一道環之內也會有變化,間隙也並非完全空無一物,甚至環也不是完美的圓圈。

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Bill Arnett; last updated: 2000 Oct 19