飞向土星

徐　克

美国航空航天局的“旅行者l”号宇宙飞船1980年访问了土星系统，这是其行星际大旅行的最后一站。“旅行者1”号是1977年9月5日离开地球的，它于1979年与木星神奇地相会。对土星系统的观测始于1980年8月22日，其时这艘飞船与土星尚相距1亿多千米。11月12日，“旅行者1”号在与土星相距126 000千米以内的地方经过，在此期间，它与土星的联系大大加强，前后持续约一个月之久。

土星系统到太阳的距离差不多是地球到太阳距离的10倍：它与我们这颗覆盖着水的行星及其惟一的卫星(即月亮)迥然不同，它与太阳系内圈的其他行星——水星、金星或火星——也很不一样。在太阳系外围的那些行星——包括木星、天王星、海王星以及我们知之甚少的冥王星——中，土星的体积名列第二，它与木星最为相似。由于土星也和水星、金星、火星以及木星一样，亮得不用望远镜就能看见，所以古代天文学家早就认识它了。

甚至在宇宙飞船飞往土星以前，科学家们对于土星的结构就有了相当的了解。他们知道，一个体积像土星那么大的岩石球，其质量要比根据地面测量得知的土星质量大10倍左右。事实上，即使由水组成一个同样大小的天体，它的质量也会是土星质量的2倍左右。这些比较告诉我们，土星由较轻的物质构成。由于土星大气中最丰富的气体是分子氢，所以科学家们认为，土星基本上是由所含元素与太阳相似的气体构成。这就是说，土星应由将近90％的分子氢、10％的原子氨以及仅占千分之几的各种气体，其中包含着氮、碳、氧和一些含量更低的元素组成。然而，如果土星仅仅由各种气体构成的话，那么它的质量就应该比科学家们根据多年的观测研究推算出来的质量更小些。

到1900年，人们已经发现并命名了土星九颗最大的卫星。它们由大而小依次是土卫六、土卫五、土卫八、土卫四、土卫三、土卫二、土卫一、土卫七和土卫九。1966年和1980年，天文学家们又发现三颗较小的土卫——1980S1、1980S3和1980S6，它们都很靠近土星。当时形如平盘的土星光环正以其侧边朝向地球，它比往常暗得多，所以才能看见这几颗卫星。在“旅行者1”号拍摄的照片上科学家们又陆续发现了另外三颗土卫——1980S26、1980S27和1980S28，它们也很小，比前面那三颗土卫更靠近土星本体。

土卫六的直径是5140千米，它比水星稍大，而又略小于火星。其他土卫的直径从土卫五的1530千米小到1980S28的30千米。土卫与土星中心的距离介于1980S28的137 300千米和土卫九的10 583 200千米之间。

就像几乎所有行星的全部卫星(包括我们的月亮)那样，土卫的表面也麻麻点点地布满了环形山，这些环形山是因彗核或小行星之类的小天体与之相撞而形成的。“旅行者1”号的照片送来了关于土星系统环形山密度的第一批资料，科学家们利用这一信息来估计卫星表层的年龄。一般说来，表面越老其环形山密度就越大。此外，卫星越小其表面保留的环形山似乎也越密，这是因为小卫星几乎没有内部活动。例如，科学家们发现土卫一(它是较小的土卫之一，直径390千米)的环形山密度极高，因此，科学家们估计它的表面几乎起源于46亿年以前，即土星系统形成之初。然而，下述事实却颇令人费解：土卫二与土卫一是在同一时期形成的，它仅比土卫一稍大一些，直径500千米，但是环形山密度却比较小。一些科学家认为，也许是某种内部活动已经多次重塑了这颗卫星的表面。

“旅行者1”号摄取的其他照片提供了明显的证据：一些较大的卫星已由于某种原因而变得“光滑”了。土卫五的直径是1530千米，仅次于土卫六。土卫四的直径是1120千米，它们的表面上某些地区的环形山密度比其他地区低得多。在这两颗卫星上，较暗背景区域衬托出来的明亮纤细斑纹构成了一些复杂的网络，这乃是查明究竟发生了什么事情的线索。它们表明，在那儿卫星内部的冰和岩石因内压力作用而在卫壳内折断碎裂并推向表面。当这种熔融物质倾入表面时，它就会灌满环形山。由于放射性元素衰变而产生的热也许在这些卫星的头10亿年间创造了重塑卫星表面的大部分物质，那时正是这些卫星上放射性元素最丰富的时代。后来，它们衰变了，产生的热量减少，卫壳变厚，内部物质再也不能到达这些卫星的表面了。早先大卫星的热量可能还致使某些较重的岩石成分往中心下沉，而水则升向表面。因此它的组成成分可能随深度而变化，越接近表面，水和其他成分就越多。较小的卫星因为所含的放射性物质较少，所以不会变得那么热，看来，在它们的早期并未经历过这类活动事件。

由于土卫六是最大的卫星，因此科学家们对它特别感兴趣，他们希望“旅行者1"号飞到离它足够近的地方揭开它的某些秘密。例如，科学家们从地面观测得知，土卫六是拥有一层名副其实的大气的惟一卫星，甲烷气体是该大气的组成成分之一，但是科学家们对于土卫六上是否还能发现其他气体却全然无知。因此，天文学家们对土卫六上大气压的估算大有出入——从地球大气压的0.02倍到20倍。由于“旅行者1”号从距离土卫六表面5000千米以内的地方经过时，它发射的无线电波穿过土卫六大气并为后者所偏折，兼之做了其他种种测量，便使加利福尼亚州福洛阿尔托市斯坦福大学的埃什尔曼和泰勒领导的“旅行者1”号无线电科学小组对某些基本问题做出了回答。他们得知在太阳系内除了地球以外，土卫六乃是大气中含量最丰富的气体为氨的惟一天体。土卫六的大气也含有百分之几的甲烷，千分之几的分子氢，以及痕量的乙烷、乙炔和氰化氢。土卫六上的大气压是地球大气压的1.6倍。

“旅行者1”号除了帮助科学家们增进对土卫的了解外，还使他们丰富了有关土星光环的知识。1655年，惠更斯首先认识到光环是又薄又平的盘状物，它位于土星赤道平面上，但不与土星本体相接触。从那以后长达200年，绝大多数科学家都相信环是一薄层固态或液态物质。后来，英国物理学家麦克斯韦于1857年从数学上证明，具有上述结构的环将会被土星的潮汐力拉碎而分裂，很小的扰动就能使它们无法保持以土星本体为中心的分布。麦克斯韦说，土星环必定是由许多小物体组成的，它们在彼此独立的轨道上围绕土星本体运行。宾夕法尼亚州匹兹堡阿勒格尼天文台的天文学家基勒于1895年证实了这种数学推理的结论。他测量了土星环不同部分的速度，发现靠里的部分转动速度较快，这就证实了环是由无数小块物质组成的。

土星光环包含许多个体这一事实对它的厚度颇有影响。环粒子间的碰撞使它们彼此之间的相对速度趋于一致，这样它们的速度就不再变化，它们差不多在同一平面上以相同的速度绕着土星运转。因此，这些粒子不会散开，而整个光环则始终保持着区区几千米的厚度。

在“旅行者1”号飞船之前，有些科学家认为某些土卫——尤其是土卫一——的共振决定着光环的分裂方式。当一个环粒子的轨道周期恰为某一土卫公转周期的简单分数时，共振就使在此情况下出现的引力效应大大增强了。但是，在“旅行者1”号拍摄的土星照片上可以看到的大部分精细结构却不可能是由这类共振所致。现在科学家们认为许多精细结构是由一些小卫星造成的。这些卫星嵌在光环中，直径也许只有1千米。它们的引力效应可以推开位于其附近且比它们小得多的粒子。

除了土卫九以外，所有的土卫皆由一团扁盘状的尘埃气体形成，而这些尘埃气体则是形成土星的坍缩过程行将结束时剩下来的。尘埃粒子和星云逐渐冷却时，由凝聚气体形成的冰结合起来，成为一些甚大的天体——卫星。土星星云的温度是这些卫星化学组成的决定因素之一，而土星早期发射的过剩热量又控制着土星星云的温度。如果这一理论正确的话，那么土星的内卫星就应该包含有大量的水冰。“先驱者”和“旅行者1”号的资料有利于肯定这一理论，因为它们表明土星的内卫星平均密度甚低——与典型的水冰密度相当。

土卫九是离土星最远的一颗土卫，它可能是在太阳星云内的其他地方形成后，被正在形成中的土星俘获的。科学家们猜想土卫九是一颗被俘获的卫星，原因是它绕土星公转的方向与土星自转的方向相反。此外，它的轨道不很圆，且与土星赤道面有30°的倾角，所有这些恰与其他卫星形成了鲜明的对照。

土星的早期星云也许已经冷得足以使主环所在的范围内凝聚水冰。这些水冰粒子形成时很靠近土星本体，所以潮汐力会阻碍它们结合成一颗大卫星。虽然“旅行者1”号飞船告诉我们木星也有一个环，但是与土星环相比，前者要小得多，而且看来是由石物质组成的。这一差异可能反映了早期的木星星云和土星星云在温度方面有何差异。

如果说“旅行者1”号所报道的土星环大粒子表示了土星附近粒子生长的极限，那么，这些环就向我们展现了一幅令人着迷的画面：它显示出在土卫形成过程中某一阶段的状况。