太陽系中最美麗的結構之一，可說是土星的光環。而在太陽系中，有四個行星擁有光環，但為何只有像土星一個行星能擁有光量和較多物質的光環呢？而土星的光環亦可說是科學家已知最薄的結構之一，它的寬度可由地球直達月球那麼遠，但它卻非常薄，打個比喻，若把它減薄至一張紙那麼薄，它的寬度大約為三千米。究竟土星光環有否把向我們提示到宇宙的起源呢？其他的星系中，有沒有相似的光環形成呢？
這種種問題一直引起科學家的興趣。直到1997年，美國太空總署發射卡西尼號太空船，2004年，卡西尼號進入土星的軌道，探索土星的進程便開始了新里程。卡西尼號攜帶著的衛更斯號進入土星月亮泰坦 (參考本網頁天文資料庫 > 太陽系 > 降落泰坦 一文)，發現泰坦的表面有甲烷的湖，卡西尼號又看到土星月亮恩塞勒達斯 (Enceladus) 擁有冰塊的表面、又成功追縱土星大氣層的風暴，此外，卡西尼號又詳細研究了土星的光環系統及其環境。它看到了光環的光度變化、光環中的物質如何與光環中的細小月亮互相影響、光環中的幼細微粒的角色等等。
土星的光環系統
土星的光環系統主要分為外圍的A環，較光亮和密度較高的B環，以及較內側的C環。卡西尼縫位於A環和B環中間，但它並非沒有物質、它擁有如同C環般結實的物質。在A環外就是F環，而三個較薄，只有塵埃的環分別是D環 (位於C環以內)、G環 (位於F環以外) 及E環 (G環以外)。(見下圖)
月亮與光環
土星的光環提供一個場地給科學家研究天文物理學的星盤系統。天文學家已在很多較近的恆星中發現很多年幼的星盤和塵埃盤，天文學家相信，太陽系的從前也像這些星盤一樣，擁有這些塵埃盤。我們並不能去到這些星體研究這些星盤的形成情況，但我們可直接去到土星研究和觀測土星光環系統的狀況。
土星的光環是擁有活力的，大大小小的月亮圍繞著土星，就像我們的太陽系一樣，有大大小小的行星圍繞著太陽旋轉。卡西尼號就以不同的角度去看看這個光環系統的情況。
有兩個直徑為數千米?的土星月亮，在A環外的恩克縫中的月亮潘 (Pan) (320千米寬) 及在基勒環縫 (Keeler Gap) 中的月亮Daphnis (35千米寬)。它們像一些原行星體環繞著一顆年幼發光的星星一樣，利用引力把近經過的物質清理。由於萬有引力，Pan和Daphnis可以影響剛剛經過它們的細小光環物質，在光縫的邊緣產生波動，形成齊整的光縫。
土星月亮潘 Pan 在恩克環縫之內，見圖中央偏左的環中的小月亮便是潘
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
土星月亮Daphnis在基勒環縫中產生如漣漪般的波動
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
光縫的邊緣比科學家預料的更複雜。卡西尼號發現在恩克裂縫邊緣的變化震動的頻率和幅度是永遠不會減退消失的。還有其他光環的邊緣，例如A環、B環和基勒環縫，它們的邊緣變化形狀比預期中伸延得更長，而這些現象的原因仍是個謎。如我們再細心追查這些光環的波動邊緣，我們總會找到一些新的月亮在這些光環的邊緣，若我們再繼續研究，也許我們可以更清楚了解我們認知的月亮清理裂縫的過程。
在主要光環以外的、較大的月亮可產生密度較高的螺旋波動 (spiral density waves)，而這些波動可與其中一個月亮的軌道形成共振。共振就像推鞦韆一樣，推鞦韆時，你可以在鞦韆到達最頂、最低、上升或下降時推，但若你不規則地推動鞦韆，它不會被推得高。但是若果你推的時侯與鞦韆的共振頻率相同，即每次鞦韆向上移動時，你就向前把鞦韆推一下，那你的推動的頻率便與鞦韆的共振頻率相同，鞦韆便可以被推得越來越高。
月亮們對於光環物質也有相似的效果。例如；一個光環中的石塊或冰粒每當完成六次的環繞旅程時，剛好外圍的月亮就環繞了五次，而每當月亮經過時，就會把這些物質向前推動，而由於它們兩者的公轉週期形成公倍數，月亮與光環中的石塊或冰粒形成共振頻率。每一個月亮都會推動這些石塊或冰粒，加起來時，就會讓這些石塊或冰粒的軌道拉長，在環繞土星時在裂縫間進進出出。當數以億計的物質在同一區域被干擾，就會形成如螺旋般的波動。
這些螺旋般的波動如同宇宙中的銀河系的旋臂，儘管它們本質不相同，但它們所產生的高密度的螺旋波動在物理上是相同的。只要我們量度這些光環波動的高度、形狀和波長，我們就可以知道這些光環的表面密度 (每一立方面積的質量)、干擾這些光環的月亮資料以及光環垂直高度的極限。卡西尼號發現在恩克裂縫邊的A環的表面密度是最高的，而表面密度會隨光環內側或外側而減少。密度波動的量度也限制了光環的最高高度。卡西尼縫最高高度為數米，而A環內側的厚度將少於10-15米 (約30-50尺)。
Zebras in the ring 光環中的斑馬
個別的光環粒子時常想集結為大的粒子，但是潮汐力會把它們分開。土星A環的位置將會是羅契界限 (Roche limit) 的區域，這個地方是兩個力量的平衡點，粒子不停地結合和分離，形成了如同斑馬般的形態，這又稱為A環的自我重力的醒覺 (self-gravity wakes)。
這種結構最初被航行者發現，它們發現在光環的前、後有時光時暗的現象。這個現象的原因是在觀測者的角度看光環的邊緣的波動時，有時會反射較多光線，有時會反射較少光線。
我們量度更多這些光環波動的光度變化，卡西尼的科學家可為這些光度變化製作一個模型，從而更準確計算出這些光環垂直高度的極限，他們發現這些光環的極限高度為數米高及數十米?。
噴泉與弧
大部份土星的冰塊的粒子與土星光環的寬度相比，就像一顆波子與一所房子的比例。電磁效應會將細小的塵粒分離，所以科學家注意到在主環某些區域仍然存在的塵粒，因為這可能是正是活躍活動的溫床。
要看到土星環上的塵，就要看正面的散射 (Scattering) 光線。當光環位於觀測者和太陽之間時，就可以看到環上的塵，就像你清潔雜物櫃時一樣，要看到塵粒，只要看著櫃的表面並並向著光源方向。卡西尼號就做了同一樣的事情，當它運行至土星的另一面，即土星在太陽與卡西尼號之間時，它就趕緊觀測光環上的塵的分佈和所在。
F環有著不停的活動，由兩個內藏的月亮協助，把塵粒不停地攪動，令這光環在背後看時成為最光亮的光環。此外，原本在正面看到不顯眼的環，如D環及最外圍的G和E環，都變得特別顯眼。
F環的塵粒不停地被攪動 (按上圖可放大)
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
D環，位於土星主環和土星雲層之間，很少作出研究，意想不到的是它的動力特別強。對上一艘太空船，航行者號在25年前，看到的光環由主環向內申延至20萬米，再看過去便是非常暗淡。但卡西尼號發現的D環不但翹曲至像覆蓋著一層起皺紋的錫紙，更發現它起皺紋的情況讓它自行吹得更緊密。由光環的風速和以時間向前推斷，研究人員總結應該大約在1984年由一個簡單的在光環中垂直移動引起的皺紋，可能是小行星或彗星撞擊而引發的。
E環，若不在背後看，是一個非常暗淡的環。而土星最大的月亮恩塞勒達斯 (Enceladus) 就在E環處。卡西尼號發現E環是由非常細小的冰粒狀的晶體組成，由恩塞勒達斯的南極部份以噴泉的形式送到軌道，然後凝結而成。
G環，是最讓人感到神秘的環，它暗淡及充滿塵粒，位於主要光環和E環之間。明顯地，A至D環組成一個單位，E環由月亮恩塞勒達斯組成，F環就由土星另外兩個月亮普羅米修士 (Prometheus) 和潘朵拉 (Pandora) 所組成。但G環，沒有已知的月亮或存在的原因。但是卡西尼號發現一個極其重要的線索：一個弧佔去整個光環的10%。這個弧比光環其化部份光亮5倍。後來發現位置與月亮米瑪斯 (Mimas) 有一個共振的現象，當米瑪斯環繞土星六次，這個弧就環繞土星七週。只有海王星的光環暫時被發現擁有這種弧，以及這種共振可能是使物質保持在弧中，不會擴散至環的其他部份。另外，現時仍未知道G環的形成月亮是誰，亦有可能是隱藏在G環的弧中。
土星的G環
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
B環的輪輻 (spoke)
B環上有一些輻射區域，而B環上的位置也與共振的位置沒有關係，所以其形成的原因仍未能解釋。B環較難探測，原因是它的粒子太緊密，航行者號的電波掩星法的探測實驗也因未能穿透它而失敗。2005年，卡西尼號的電波天線已能解決這個障礙，它能直接把倍強的訊息穿過B環傳回地球，初步的結果顯示了B環密度最高的區域的細微結構，B環能阻擋99%的光線。
卡西尼號拍攝到的B環的輪輻
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
B環最特別的特徵是其輪輻，這些輪輻最初由地上的觀察者發現，後來再由航行者一號和二號證實其存在。輪輻會突然出現及會維持在環上一段比開普勒軌道運動可接受的更長的時間，跟據開普勒運動的定律，較內的環的粒子應比外環的粒子行得較快。因為季節的問題，卡西尼號在第一年接近土星時未能看到輪輻。輪輻通常在土星的春天和秋天，在向著陽光某個角度上可見。
卡西尼號終於在2005年9月看到輪輻，在近期，它的角度更佳。可是，暫時所看到的輪輻仍是非常弱和少，相對於1980-81年時，航行者號所拍攝的影像。科學家相信大約在2009年，將會有較強的輪輻出現。
輪輻的形成仍是個謎，雖然我們知道土星強大的磁場是維持其光環軌道。負責影像的團隊希望可利用高速片段最終能捕捉到輪輻的形成之謎。
踢走塵埃
主環的部份區域充滿塵埃。這些區域位於大部份無塵區域中，引人注目。
在恩克環縫中，月亮潘與幾個塵埃小環分享著空間。雖然他們比不上F環那樣無秩序，但是仍有一些扭結和弧在軌道中。雖然這些扭結並非與潘有密集連鎖的步伐 (共振)，卡西尼號發現這些小弧一組組地在一個月內某些時段一齊向前前進，而當他們遇到潘的時侯，就會改變移動的方向，有些小組看起來甚至被毀。科學家現正研究去理解這些現象。他們是全都受到潘的影響，還是在環縫中有其他月亮的影響呢？
在卡西尼環縫中發現的迷人小環，25年前的航行者號的相片中並不存在。
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
在2006年，在卡西尼環縫也曾發現到一些裂口，即環中的塵埃沒有了的現象。 (備註：卡西尼環縫其實是由很多條暗環組成，並非真正的空間，所以卡西尼環縫在英文中被稱為Cassini Division而非Cassini Gap，但恩克環縫Encke Gap 就是真正的空隙。) 而下西尼號卻在卡西尼環縫中看到一些新形成的環。這些新形成的環在航行者號探測土星時，並沒有看到相類似的環，所以相信是新製造的環。當一個研究人員看到新環時，他大叫：「看看這細小迷人的環。」所以這些新發現的環又被稱為迷人的小環 (Charming Ringlet)。但就像寵物小精靈一樣，在某些情況下，這小巧迷人的環可變成怪物。卡西尼號的影像顯示，在正面的散射光線看此原本暗淡的環，迷人的小環支配了整個區域，成為最光亮的環。
在卡西尼環縫中發現的新光環
Credit: NASA/JPL/Space Science Institute
從卡西尼的可見光及紅外線光譜儀的紅外線光譜中確定迷人小環中的物質看來與F環和恩克環縫的物質相似，但與其餘主環的物質不相同。但這些物質怎樣走到卡西尼環縫中的呢？是否近來才形成的呢？它有可能由其他的物件影響而形成，例如小行星的撞擊，或者由一些我們未見過的小月亮，而它們就是最初在這些空間中存在的月亮。
年齡與起源
卡西尼號發現幾個如同足球般大的月亮，有些於A環附近，有些在F環附近阻擋著星光。這些小月亮在主環中像屋子那麼大的部份和大的月亮之間的空隙中穿梭如同橋樑一樣。
這些小月亮密度高、有冰的核心，它們在來回的週期中曾經結合和分裂很多次。這些密度較高的核心可能原為一些較大的月亮，像米瑪斯 (40萬千米寬) ，當他們可能曾受到光環的潮汐力或撞擊後，便形成這些小型的月亮，亦有可能是因為由太陽系其他區域被吸引進土星的光環的物質。這些事件可能都是相對較近期發生，可能大約在1億年前形成，從觀測光環的冰塊的新鮮程度估計。整個光環結構由很多大月亮的遷移而改變，這種情況今天仍然不停地改變。
另一方面，有些研究人員認為主要的光環是在數十億年前形成的，然後不停地改變及演化。卡西尼號會繼續嘗試找出答案，例如，在整個探索計劃中，觀測月亮軌道的改變，看看它們會否移到一些不能運行數十億年的軌道上。
土星環比想像中更有活力。月亮把物質移開，形成空隙，又能在光環上形成波浪。噴泉或撞擊又製作了新的塵埃。雖然形態受當中的月亮不停地改變，但土星環仍然能頑強地保持著美麗和整齊，讓我們可找到它運作的原理和起源。
本文是2007年5月號會訊的專題文章
撰寫：蔡錦滔
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