星环“迷雾”

张唯诚

发现星环之路

在天文望远镜诞生前，人们用肉眼是看不到星环的，但望远镜一经问世，一些简单的记载便表明最早的望远镜使用者可能隐隐约约地发现了星环。1610年，伽利略使用望远镜观察土星。他的观测记录表明，他发现土星旁边有两个类似“耳朵”的东西，似乎土星是由一大二小3个天体组成的。伽利略怀疑这两个“耳朵”是土星的两颗卫星，然而令人奇怪的是，它们看上去并没有环绕着土星公转。伽利略无法解释这种现象，他将土星描述成“由三个部分组成的行星”。

其实，那“两颗卫星”就是土星的星环，只是伽利略的望远镜倍率太低，星环并没有清晰地显示出环的形状。1655年，荷兰科学家惠更斯使用更精密的望远镜观察土星，完整的星环才第一次呈现在人们面前。因而，惠更斯成了第一个确认土星星环的人。

另一个模糊的记载是有关天王星环的。天王星的发现者是英国天文学家威廉·赫歇耳，那是在1781年。几年后，赫歇耳在他的观测笔记中写下了这样一句话：“1789年2月22日，一个可疑的星环。”一些研究者认为，这个记载表明，赫歇耳在1789年可能观测到了天王星环。但仅凭这个简单的记载，人们无法确定他是否真的观测到了星环。天王星距离地球很远，那时的望远镜应该很难观测到它的星环，加上从1789年到1977年的这段时间里，从未有人声称观测到了天王星的星环，说明天王星的星环的确不容易被一般的望远镜所发现。

现在，人们公认的天王星环的发现时间是1977年3月10日。那天，天王星运行到一颗编号为SAO158687的恒星前面，把这颗恒星遮挡住了。这种现象被称为“掩星”，通常是研究一颗遥远行星的好机会。利用掩星现象，天文学家们可以研究星光的变化，从而获取行星的诸多信息，也可以借此发现星环。果然，天文学家们在观测这颗恒星的时候，记录下恒星的亮度闪烁了好多次，这样的闪烁通常是行星环遮掩恒星造成的。原来天王星也有星环。经过分析，科学家们确认，天王星的周围存在9个星环。1986年1月24日，“旅行者2号”航天器飞掠天王星时发现天王星有11个星环。2005年12月，科学家宣布，他们借助哈勃太空望远镜又发现了天王星的2个新环。

进入太空时代后，人们终于知道，在太阳系里，星环并不是稀罕之物，除土星和天王星外，木星、海王星也有星环。1977年，“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器发现了木星环。木星环由大量尘埃和碎石组成，反光能力不强，所以并不像土星环那样容易被发现。海王星的星环，最外层的叫“亚当斯环”，它似乎是由密度很高的块状物构成的。海王星还拥有其他星环，都以海王星及其卫星的发现者或观测者的名字命名，如“勒维耶环”“伽勒环”和“拉塞尔环”等。

天王星和它的星环

海王星的“亚当斯环”（外）和“勒维耶环”

离开海王星轨道，再往远离太阳的方向搜索，那就到了柯伊伯带。它从距离太阳大约 30 个天文单位的海王星轨道附近一直延伸到大约 55 个天文单位的地方。那里有一些冰冻天体，由形成太阳和行星的气体和尘埃的残余物演变而成，名為“柯伊伯带天体”。这些冰冻天体的体积通常不大，矮行星——冥王星就是其中之一，当然还有一些体积更小的天体。2002年，科学家们在海王星轨道外发现了一颗直径为1250千米的天体，取名为“夸欧尔”，中文译为“创神星”，它的直径约为冥王星的一半（冥王星的直径约为2400千米），因而也将它归于矮行星之列。2023年2月8日，科学家们在这颗矮行星周围也发现了星环。

小行星、彗星的混合体“女凯龙星”拥有两个稀薄而冰冷的环（手绘图）

创神星（手绘图）

奇怪的星环

星环是怎样形成的？这是天文学家们在发现土星环后便开始思考的问题，因此解释星环形成的相关学说也不断涌现。首先是碰撞说。例如，有人认为，天王星形成不久便遭受了一次强烈的冲撞，冲撞的天体不仅撞歪了天王星的自转轴，还制造了大量的尘埃和气体，它们中的一部分汇集到天王星赤道面附近形成了天王星环。

还有一种观点认为，行星的星环由卫星被行星的潮汐力分裂后形成的碎片组成，这个观点首先由法国天文学家爱德华·洛希提出，用来解释土星环的形成。最新的研究表明，土星环可能确实是这样形成的。研究显示，土星的一颗卫星原本和其他卫星一起环绕土星运行，但到了距今2亿到1亿年间的某个时候，它变得不稳定，导致它的轨道过于靠近土星。最后，它便被土星巨大的引力撕裂成了碎片，其中一部分物质坠落到土星上，另一部分则形成了土星环。

此外，还有一种说法，就是在行星形成的时候，一些岩屑残留在行星周围。由于岩屑距离行星太近，它们不能形成卫星，只能以分散的状态存在，于是形成了星环。

这说明，行星和卫星的距离近到一定程度时，潮汐作用就会使卫星倾向于破碎。这个使卫星解体的距离的极限，也是由上文所提及的法国天文学家爱德华·洛希计算出来的，人们称之为“洛希极限”，它指的是一个天体自身的引力与另一个天体造成的潮汐力相等时的距离。如果两个天体之间的距离小于洛希极限，那么较大天体的潮汐力就可以将较小的天体撕碎，从而形成较大天体的星环。而在洛希极限以外，由于较小粒子之间的引力起到了主要作用，它们倾向于“相互吸引”，于是会聚集成卫星。

根据洛希极限法则，星环出现在位置上是受到限制的，它不能出现在洛希极限之外，只能存在于洛希极限之内或者附近。此前对星环的观测和研究都证明了洛希极限的正确性，包括土星环、木星环、天王星环、海王星环，甚至还有小行星环。2013年，天文学家们发现一颗具有小行星和彗星混合特征的半人马型小天体“女凯龙星”，它拥有两个光环，都存在于洛希极限之内。

然而，新发现的矮行星——创神星的星环则打破了这一规则。巴西里约热内卢联邦大学的天文学家布鲁诺·莫尔加多参与发现了创神星的星环，他指出：“创神星的星环处在洛希极限之外，这非常令人不解。假若真是这样，是否要重新思考行星环的规则了呢？”

破解“星环之谜” 

创神星距离地球很远，体积又很小，所以能观测到这颗矮行星的星环并不容易。莫尔加多和他的同事们研究了2018年至2020年间，当创神星遮挡了来自遥远恒星的星光时所显示的数据。这些数据采集自世界各地的望远镜，这些望远镜分布于纳米比亚、澳大利亚和格林纳达。另有一些观测数据来自空间望远镜。当恒星被创神星所遮挡，其亮度变暗的时间可以揭示创神星的一些细节，比如它有多大、是否有大气层等。

通过研究，科学家们发现这颗比冥王星小一半的矮行星也拥有星环。更令人惊讶的是，这个星环并没有遵循规则处在洛希极限以内，而是处在距离创神星中心约4100千米的地方，大致是创神星半径的7.5倍，是洛希极限的2倍多。这个星环由被冰覆盖的颗粒组成，直径大约8200千米。

矮行星——妊神星（左）和小行星“女凯龙星”（中）都有接近洛希极限 （ 黄色） 的星环（ 白色）。但创神星（右）的星环明显超出了洛希极限

这一发现让天文学家们集体陷入了沉思：这是否意味着洛希极限要修正了呢？

为了解释这种异常现象，莫尔加多提出了几种假设。他认为，或许环绕创神星的星环是一个正在形成卫星的环，而他和他的团队只是很凑巧地在星环尚未形成衛星之前看到了它。莫尔加多认为，能遇到这种情况非常幸运，以至于他自己也怀疑这样的幸运是否真的能够降临。创神星还拥有一颗已知的卫星“创卫一”。当然，也许创神星还拥有其他目前人们尚未发现的卫星，这些卫星的引力也许很凑巧地稳定住了这个星环。莫尔加多认为，出现这种情况也是有可能的。

还有一种假设，那就是星环中的粒子因为某种原因难以黏合在一起，它们只能发生碰撞，却无法聚集成一颗卫星。这样的情况如果真的发生，那么星环中的粒子就要具备真正的弹性，就像玩具店里的弹球一样。

针对上述种种假设，为了找出答案，科学家们通常需要建立适用于各种场景的模型，然后将这些模型与对创神星星环的实际观测结果进行对比，这样的工作能帮助研究人员确定哪种情况最能解释他们看到的创神星的星环所呈现出来的不可思议的现象。

科学家对创神星的观测，还有可能揭示更多正在发生的事情。因为太阳系的其他地方还有可能存在更多奇异的环。莫尔加多认为：“我毫不怀疑，在不久的将来，很多人都会将视线投向创神星，并试图解答星环的疑问。”

随着人类观测宇宙的技术越来越先进，人们正在发现越来越多的星环。但对于星环的一些古老的疑问，人们似乎并没有获得满意的答案。而诸如“星环在太阳系中是一种怎样的存在”“它们与环绕主星运行的其他天体存在怎样的联系”“太阳系之外又是怎样的情景”等新疑问还在层出不穷地出现。相信随着科学家研究的不断深入和观测手段的不断进步，“星环之谜”必将进一步获得破解。