卡西尼的觀測場景，左側(cè)的“懸空”望遠(yuǎn)鏡在觀測土星，右側(cè)的兩個(gè)分別在觀測月球和火星

/引言

如果你有一位經(jīng)常觀星的朋友，這兩個(gè)月問他這段時(shí)間適合看什么，那么得到的回答中一定沒有土星，一來是因?yàn)檫@段時(shí)間土星方位過于靠近太陽，被淹沒在太陽的光芒中，二來是因?yàn)檫@段時(shí)間的土星是公認(rèn)的“不好看”——土星的光環(huán)正在“消失”。此情此景，也曾出現(xiàn)在四百多年前伽利略的目鏡當(dāng)中，而且令他大為不解，由此拉開了一場跨越三個(gè)世紀(jì)的天文長跑。

1612年4月和2025年4月的土星（Stellarium軟件模擬）

在人類仰望星空的歷史中，土星在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)都被認(rèn)為是太陽系的邊緣，并因它那不符合遠(yuǎn)近規(guī)律的亮度變化，成為太陽系最具神秘色彩的行星。從伽利略將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)土星的那一夜開始，人們就揭開了探索這顆行星本質(zhì)歷程的序幕。從模糊的“三星共體”到精密數(shù)學(xué)推導(dǎo)下的“衛(wèi)星群環(huán)”，土星環(huán)的認(rèn)知?dú)v程不僅是一部天文觀測技術(shù)的進(jìn)化史，更折射出人類對突破認(rèn)知邊界的渴望。在這片由冰與塵埃編織的宇宙圓舞曲中，每一道環(huán)紋都鐫刻著科學(xué)巨匠的智慧之光。

/17世紀(jì)初，

早期肉眼觀測與伽利略的困惑

在望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之前相當(dāng)長的人類歷史進(jìn)程中，土星與其他幾顆行星一樣，都被賦予了豐富的星占學(xué)意義，它是古希臘掌管農(nóng)業(yè)和收獲的農(nóng)神，也因其淡黃的顏色與五行當(dāng)中的土元素相似而被中國古人稱為土星。又因其在地球星空背景上運(yùn)行一周的時(shí)間大約是29年，與中國古代的二十八星宿數(shù)字接近，所以在古代中國它又被稱為鎮(zhèn)星或填星，有每年鎮(zhèn)守一宿的寓意，也象征著孕育萬物的大地以及德高望重之人。例如，古籍《開元占經(jīng)》中就寫道：“所居國吉；國得土，得地，不乃得女；其國福厚；不可伐；國安，大人有喜，增土，填星所居國有德，不可以兵加。”意思是說土星所在的國家有德行，不應(yīng)以武力侵犯，其出現(xiàn)預(yù)示著吉祥與繁榮。

與此同時(shí)，與土星豐富的星占學(xué)含義相伴的，是它那奇怪的亮度變化。每當(dāng)它的亮度出現(xiàn)波動(dòng)，便會(huì)被賦予德政有虧、天譴將至或農(nóng)業(yè)欠收、饑荒到來的征兆，那琢磨不定的亮度變化曾讓無數(shù)占星家、欽天監(jiān)官員們?yōu)橹畱?zhàn)栗癲狂。

土星奇怪的亮度變化曲線 來源／theskylive.com

就像對其他天體的觀測那樣，所有的認(rèn)識(shí)都會(huì)在新工具出現(xiàn)之后迎來一次革命性的飛躍。1610年，當(dāng)意大利天文學(xué)家伽利略首次用望遠(yuǎn)鏡觀測土星，他看到在土星本體的兩側(cè)，各有一個(gè)凸起，但由于當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡倍數(shù)只有32倍，還無法清晰地分辨它們是什么，被伽利略誤認(rèn)為是分布在土星兩側(cè)的兩顆“衛(wèi)星”，還在他的手稿中留下了“土星兩側(cè)附著兩個(gè)模糊手柄”的記錄。

伽利略手稿中描繪的土星“三星共體”結(jié)構(gòu) 來源／wiki

當(dāng)時(shí)，伽利略的很多觀測活動(dòng)都得到了宮廷貴族們的資助，1612年，當(dāng)他想向金主們展示關(guān)于土星的這個(gè)神奇發(fā)現(xiàn)時(shí)，那兩個(gè)“衛(wèi)星”竟然消失不見了！更奇怪的是，到了1613年，它們又回來了，這兩個(gè)“小東西”成了伽利略心中的一個(gè)不解之謎，不過這也為土星亮度的詭異變化提供了一個(gè)線索——這可能預(yù)示著土星與其他行星相比有著迥然不同的結(jié)構(gòu)。

/17世紀(jì)中-17世紀(jì)末，

惠更斯的突破與卡西尼的神預(yù)言

這個(gè)謎團(tuán)短暫籠罩了天文學(xué)界四十多年的時(shí)間。期間，有人說那可能是土星赤道附近的天氣變化升騰的蒸汽，也有人說土星兩側(cè)有一明一暗兩顆衛(wèi)星，它們時(shí)常相互遮掩，這才造成了它們在望遠(yuǎn)鏡中時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，也導(dǎo)致了土星亮度的復(fù)雜變化。

直到更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡問世，人們才終于得以看清土星的真實(shí)面目。1655年，荷蘭天文學(xué)家惠更斯自制了一系列長達(dá)十幾米甚至幾十米的“懸空”望遠(yuǎn)鏡，通過這種設(shè)計(jì)，他把望遠(yuǎn)鏡的倍率提高到了50倍。

惠更斯的“懸空”望遠(yuǎn)鏡，通過拉長焦距來消除色差、提高倍率

當(dāng)惠更斯把望遠(yuǎn)鏡指向土星，透過目鏡他看到的是一個(gè)無比精致的行星世界，圍繞著土星本體的，并不是伽利略眼中的“衛(wèi)星”或“手柄”，也不是土星赤道附近的蒸汽，那分明是一圈圓環(huán)，不偏不倚地套在土星的赤道外圍。

當(dāng)時(shí)的科學(xué)界流行著一股“謎語人”的風(fēng)氣，某位科學(xué)家在取得什么新發(fā)現(xiàn)的時(shí)候通常想搶到個(gè)“首發(fā)”，但也擔(dān)心是自己的測量或?qū)嶒?yàn)失誤被其同行看了笑話，所以就會(huì)把自己的新發(fā)現(xiàn)先以打亂字母順序的字謎的形式公布，等到進(jìn)一步充分驗(yàn)證或其他人也有類似發(fā)現(xiàn)時(shí)再宣稱自己早已看透了真相。

土星環(huán)就以這種特殊形態(tài)在人類世界首次亮相，為了保護(hù)自己的優(yōu)先發(fā)現(xiàn)權(quán)，惠更斯先把土星環(huán)的消息進(jìn)行了加密發(fā)布：

“aaaaaaacccccdeeeeeghiiiiiiillllmmnnnnnnnnnoooppqrrstttttuuuuu”

三年后，在他的《土星系統(tǒng)》（Systema Saturnium）一書中，惠更斯按照正確的字母順序重新發(fā)布了這則消息：

“Annuto cingitur, tenui, plano, nusquam coherente, ad eclipticam inclinato.”

含義如下:

“[Saturn] is surrounded by a thin, flat, ring, nowhere touching, inclined to the ecliptic.”

“土星被薄而平的環(huán)環(huán)繞，不接觸本體，傾斜于黃道面。”

惠更斯不僅描述了觀測到的現(xiàn)象，更構(gòu)建了完整的理論框架。他計(jì)算出地球每過14-15年就會(huì)穿越土星環(huán)所在的平面一次，期間從地球方向看過去，土星環(huán)面與視線重合消隱為一條幾乎看不到的細(xì)線。隨著地球的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，土星環(huán)面與視線再次拉開角度，環(huán)面重新顯現(xiàn)，這完美解釋了伽利略觀測到的“土星衛(wèi)星失蹤事件”的實(shí)際情況。通過幾何學(xué)推導(dǎo)，他還證明了土星環(huán)平面與黃道存在26.7°的夾角（現(xiàn)代測量值為26.73°），這也導(dǎo)致了從地球的方向看去，土星的周期性亮度波動(dòng)可達(dá)2.5倍。

1659年，惠更斯在《土星系統(tǒng)》中附帶的觀測手稿，詳盡示意了在不同位置土星看上去的樣子

謎底揭曉的同時(shí)，新的問題也擺在眼前：圍繞著土星的那圈圓環(huán)到底是什么？此時(shí)的望遠(yuǎn)鏡雖能將土星本體與光環(huán)區(qū)分開來，但還遠(yuǎn)不能看清光環(huán)自身的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)，人們想當(dāng)然的認(rèn)為光環(huán)應(yīng)該是一個(gè)完整的固態(tài)實(shí)體，像“呼啦圈”那樣套在土星的“腰”上。

隨著望遠(yuǎn)鏡越造越大，天文學(xué)家卡西尼在土星光環(huán)中發(fā)現(xiàn)了一些不一樣的東西。

1675年的精密觀測讓他看到在光環(huán)當(dāng)中存在著一條明顯的分界線，它把原本被視作一個(gè)整體的光環(huán)又分成了內(nèi)外兩個(gè)環(huán)，隨后不久，這條分界線就被稱為“卡西尼環(huán)縫”，并以此定義了環(huán)縫外側(cè)的叫“A環(huán)”，內(nèi)側(cè)的叫“B環(huán)”。

卡西尼的觀測手稿，可以明顯看到對環(huán)縫的一圈示意

與學(xué)界的主流觀點(diǎn)不同，卡西尼指出土星環(huán)可能是由無數(shù)個(gè)微小天體構(gòu)成的，這一觀點(diǎn)與土星環(huán)的真實(shí)情況十分接近，可謂“神預(yù)言”。但奈何當(dāng)時(shí)沒有充分的觀測證據(jù)能夠佐證，這一觀點(diǎn)最終沒能得到主流權(quán)威們的認(rèn)同，人們普遍認(rèn)為如此精妙的結(jié)構(gòu)必然是上帝創(chuàng)造的固態(tài)水晶環(huán)。

/18世紀(jì)-19世紀(jì)，

光環(huán)的本質(zhì)

整個(gè)18世紀(jì)，對于土星的觀測并未取得相較之前突飛猛進(jìn)的成果，但在理論模型層面，人們正在越來越接近真相。18世紀(jì)中葉，哲學(xué)家康德提出了有關(guān)太陽系形成的“星云假說”，認(rèn)為太陽系所在的宇宙空間最早只是一片星際塵埃，經(jīng)過漫長的吸引、旋轉(zhuǎn)和坍縮之后才凝結(jié)了成各個(gè)天體。18世紀(jì)末，這一假說又被拉普拉斯從數(shù)學(xué)層面獨(dú)立完善，最終有了被現(xiàn)在公認(rèn)的“康德-拉普拉斯星云說”，在有關(guān)引力的研究過程當(dāng)中，拉普拉斯也成為了最早意識(shí)到黑洞存在和引力坍縮概念的科學(xué)家之一。

1787年，結(jié)合萬有引力這個(gè)重要的宇宙法則，在土星環(huán)的構(gòu)成方式上，拉普拉斯也進(jìn)行過大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，最后證明如果土星環(huán)真的是一個(gè)固態(tài)實(shí)體環(huán)，那它必然在自身的重力下土崩瓦解，無法維持現(xiàn)狀，他認(rèn)為土星環(huán)更有可能是由數(shù)量眾多的一個(gè)一個(gè)小環(huán)同心嵌套組成的。

雖然數(shù)學(xué)證據(jù)強(qiáng)而有力，但支持固態(tài)環(huán)理論的天文學(xué)家依然大有人在，這其中就有大名鼎鼎的天王星發(fā)現(xiàn)者、18世紀(jì)制鏡狂魔——威廉·赫歇爾，他堅(jiān)決反對拉普拉斯的多環(huán)理論，堅(jiān)信土星環(huán)是一個(gè)固態(tài)整體不動(dòng)搖。

土星環(huán)為什么不會(huì)分裂？飄走？或撞向土星？光環(huán)的本質(zhì)是什么？

謎底要等到下一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的誕生才能被人類發(fā)現(xiàn)。但在那之前，數(shù)學(xué)上的論證仍然在高歌猛進(jìn)。

19世紀(jì)中葉，法國天文學(xué)家勒維耶和英國天文學(xué)家亞當(dāng)斯都曾獨(dú)立用數(shù)學(xué)方法算出了海王星的位置，也正因如此海王星常常被稱作“筆尖上發(fā)現(xiàn)的行星”，在誰才是歐洲的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)這件事上，向來爭得不可開交的英法兩大冤家在海王星發(fā)現(xiàn)權(quán)上也不例外。英國方面，亞當(dāng)斯所在的劍橋大學(xué)于1848年設(shè)立了“亞當(dāng)斯獎(jiǎng)”（只頒給英國人），用來紀(jì)念他在發(fā)現(xiàn)海王星方面的卓越貢獻(xiàn)，并鼓勵(lì)后來的學(xué)者們用數(shù)學(xué)方法解決更多難題。

1856年，“亞當(dāng)斯獎(jiǎng)”的題目為“土星環(huán)的運(yùn)動(dòng)”，這個(gè)已經(jīng)困擾科學(xué)家200年的問題被再次拋出，主辦方希望參賽者們能通過數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)出土星環(huán)到底是固態(tài)的、液態(tài)或氣態(tài)的，還是由許多獨(dú)立質(zhì)量體組成的。此題之難，響應(yīng)者寥寥無幾，這引起了數(shù)學(xué)家麥克斯韋的濃厚興趣，他也成了那屆“亞當(dāng)斯獎(jiǎng)”唯一一位取得足夠進(jìn)展并提交作品的參賽者。

在麥克斯韋的論文中，他有力地證明了土星環(huán)既不可能是固體，也不能是液體或氣體，它只可能由無數(shù)的小顆粒“碎塊”組成，這些小顆粒各自有獨(dú)立的軌道，共同圍繞著土星運(yùn)行。

到了19世紀(jì)末，照相術(shù)的發(fā)明和光譜學(xué)的應(yīng)用讓天文學(xué)家們看到了以往僅憑肉眼觀測看不到的重要信息，美國天文學(xué)家基勒就是最早窺探到其中“天機(jī)”的人之一。

在那個(gè)照相術(shù)剛剛起步的時(shí)代，基勒的天體畫作以其精確和美觀得到了同行們的高度認(rèn)可，1895年他意識(shí)到可以利用光線傳播的多普勒效應(yīng)來對土星環(huán)進(jìn)行觀測，從而驗(yàn)證麥克斯韋的理論是否正確。

基勒繪制的觀測手稿

基勒在光譜觀測后發(fā)表的論文，右側(cè)示意圖中的粗實(shí)線即代表通過光譜儀窄縫后的光線所具有紅移量或藍(lán)移量（左側(cè)是藍(lán)移、右側(cè)是紅移），從這個(gè)結(jié)果可以明顯看出光環(huán)越靠近土星本體的部位運(yùn)動(dòng)越快這一至關(guān)重要的結(jié)論

根據(jù)萬有引力定律，如果土星環(huán)是由許多的獨(dú)立小碎塊組成的，那么它們在圍繞土星旋轉(zhuǎn)的時(shí)候一定是靠內(nèi)側(cè)的跑得更快，在外側(cè)的跑得更慢。再結(jié)合多普勒效應(yīng)測出土星環(huán)不同部位的紅移量和藍(lán)移量，推導(dǎo)出土星環(huán)的不同部位的運(yùn)動(dòng)速度，最后再加上開普勒運(yùn)動(dòng)定律的佐證，就能驗(yàn)證麥克斯韋的“小碎塊”理論是否正確了。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，觀測與理論完全吻合！這個(gè)跨越了三個(gè)世紀(jì)的謎題終于有了答案。

基勒的天文繪圖能力之強(qiáng)被同行公認(rèn)，圖為1888年基勒繪制的土星（上圖）與2017年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的土星（下圖）對比。

/科學(xué)認(rèn)知的螺旋式演進(jìn)

近期，土星環(huán)正在從天文愛好者們的望遠(yuǎn)鏡視野中“消失”，雖然從當(dāng)代通俗天文觀測的角度來說，這并不是觀星者們想看到的情景，但如果換一個(gè)視角來看待這個(gè)問題，土星此時(shí)正在經(jīng)歷它前后幾十年當(dāng)中的“至暗時(shí)刻”（2025年4月土星最暗時(shí)將有1.21等，為前后五十年內(nèi)僅有），這一幕從四百年前伽利略看向土星的那一夜開始，困擾過無數(shù)的專家學(xué)者，也正是經(jīng)過了這幾個(gè)世紀(jì)的不斷探索，我們才能夠站在前人的肩膀上看清這一現(xiàn)象背后的本質(zhì)。如此看來，這又何嘗不是一個(gè)值得品鑒和重溫的時(shí)刻呢？

從伽利略的困惑到麥克斯韋的方程，從惠更斯的目視觀測到基勒的光譜分析，這段歷程完美詮釋了培根的箴言——“真理是時(shí)間的女兒”。那些在望遠(yuǎn)鏡的目鏡后徹夜守候的身影，那些在稿紙上演算至黎明的學(xué)者，用智慧和堅(jiān)持將神話中的光環(huán)化作物理定律的詩篇。正如土星環(huán)系統(tǒng)本身——既非永恒，亦非靜止，而是動(dòng)態(tài)宇宙的真理見證。

來源：中國國家天文

編輯：瀟瀟雨歇

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