身披巨大圆环的行星——土星

土星 © NASA

土星是以泰坦萨杜恩，朱庇特的父亲，希腊-罗马众神之王的名字命名的。

土星最大的卫星叫泰坦（土卫六）。

泰坦（土卫六）之所以出名，是因为它是太阳系中唯一拥有大气的卫星。

泰坦（土卫六）上的大气大部分是由像甲烷这样的碳氢化合物组成的。

土星最著名的一点就是它巨大的土星环。

土星环是由在土星轨道上运行的卫星固定在一个平面上的。

土星是在地球上所能看到的最远的行星。

通过低功率望远镜可以看到土星环。

土星到地球的距离是太阳到地球距离的九倍。

土星的一年大概等于29.5个地球年。

然而，它的一天却小于11个小时。

土星的历史

乔瓦尼·卡西尼是一位意大利天文学家，他发现了土星的第一颗卫星。

克里斯蒂安·惠更斯发现了土星最大的卫星。

虽然卡西尼最早观测到了土星周围的隆起，但正确地将它们识别为土星环的人是惠更斯。

土星跟太阳系一样古老。

然而，人们认为土星环要年轻的多。

土星环上的冰随时间的增长会变的更黑。

据估计最年轻的土星环只有1亿年的历史。

大气

土星大气 © NASA

土星因其所含的氨气而呈现出黄色的面貌。

土星大概有70%左右的氢气，剩余的气体是氦气。

它的大气中含有微量的氮、氢、碳和铁。

木星上有大红斑，土星上也有一些巨大的风暴与其类似，像白色的斑点。

探针记录到土星上的风速超过一千英里每小时。

土星赤道上的风速是最快的。

土星的北极有一个六边形的云，这在太阳系中是独一无二的。

另一个风暴在土星南极肆虐，尽管它没有北极风暴的六面墙形状。

土星也有与地球北极光相似的极光现象。

其图像由地球上空轨道的哈勃望远镜所捕捉到。

土星的卫星

泰坦（土卫六）是太阳系中第二大的卫星，仅次于木星的盖尼米德（木卫三），泰坦（土卫六）甚至比水星还大。

瑞亚（土卫五）甚至可能还有它自己的行星环和一个稀薄的大气层，但这需要进一步的研究以证实。

恩克拉多斯（土卫二）有一个冰冷的外壳和像欧罗巴（木卫二）一样被潮汐加热的固体内核。

恩克拉多斯（土卫二）的冰冻外壳和高温内核之间可能藏有一个液态的海洋。

米玛斯（土卫一）造成了土星环上最大的断裂。

土星卫星（部分） © NASA

随着天文学家获得更好的望远镜，且我们在土星上的探测器继续它们的探索，这个数字将会持续升高。

小卫星是土星环内的小天体，而术语牧羊人之月指的是土星环之外的的卫星，它们帮助固定土星环。

土星环

土星环直径为土星直径的200倍，这使它看起来是如此的壮观。

土星环是非常薄的，它们由冰块和一些与大卵石一样大的岩石组成。

土星环也包含了相当多数量的小卫星和一些介于卫星和大卵石之间的天体。

土星环 © NASA

一颗行星上的行星环将会坍缩成一个卫星或者坠向已经存在的卫星。

土星上的薄冰环可能会因自然现象而更新。

例如，土星E环被认为会被克拉多斯（土卫二）周期性的物质喷射所刷新。

克拉多斯（土卫二）从它的火山中喷发出冰块，就像岩浆从火山中喷发一样。

这个现象要么补充了已有的土星环，要么就创造出新的环。

土星环按照它们被发现的顺序以字母表上的字母进行命名。

A环和B环能从地球上看到。

卡西尼环缝是它们之间黑暗、相对空旷的地带。

F环，这个最外面的环，有一个辫子型的外观。

土星环上也有被称为辐条的直线，与土星环上的缝隙不同，这些特征不是由土星上的卫星所造成的。

这些结构被认为是土星磁场相互作用的结果，土星磁场强度是地球的580倍。

土星内部

土星结构 © NASA

土星上的一年远长于地球上的一年，而土星的自转是非常快的，一天仅有10小时47分钟。

这已经通过测量土星核心发射的无线电信号和辐射的变化证实。

磁场和土星核心发射的辐射信号被认为是土星液态金属围绕实心旋转的结果，和地球磁场是由于其液态铁核心旋转所导致的一样。

土星的大气压力是如此之大以致于天文学家认为它有一个行星，内核为岩石，表面上覆盖了一层液态甚至是固态的氢和氦。

如果你能站在土星表面，你在那的体重几乎和你在地球上的体重是一样的。

因为土星密度很低，尽管它的体积很大，其引力只比地球大一点点。

土星的密度比水的密度低。

像其他气态巨行星一样，土星自形成以来一直在降温。

土星核心内部的氦气被冷却成一种氢-氦液体。

然而，这个由气体转变成液体的过程释放了热量，相变所产生的热量被认为加热了土星大气层且促成了其磁场的产生。

先驱者11号 © NASA

土星已经部署了大量太空探测器。

先驱者11号是首个飞过土星的探测器。

旅行者1号和旅行者2号也飞过土星。

卡西尼-惠更斯号宇宙飞船是美国国家航天局和欧洲航天局的合作项目。

卡西尼-惠更斯号是首个直接飞向土星的宇宙飞船。

自2004年降落至今，卡西尼探测器已经发现15个土星卫星，它们其中还有十个以上仍未被命名。

在卡西尼号探测器进入土星轨道的同时，惠更斯号探测器降落至土卫六。

惠更斯号发来的图片显示了土卫六上的液态碳氢化合物创造了湖泊和溪流。

在土卫六的水圈里，甲烷和乙烷取代了水，进行蒸发和降雨的过程。

土星上的季节

土星像地球一样也有轴倾角，地球的轴倾角大致是23°，土星的是27°。

冬季的半球呈现蓝色。

土星环与土星一起倾斜。

在土星的春分期间，土星环相对于地球是侧着的。

对土卫六的持续观测表明，土卫六的湖区有几个碳氢化合物湖，随着土星季节的变化，这些湖有所增大和缩小，但并没有完全消失。

然而，土星上的夏天对我们而言依旧寒冷。

惠更斯号探测器记录到泰坦的表面温度为-290℉。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. thetimenow-再来一碗

引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？

核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。

既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。

首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。

火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。

不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。

乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。

然而事实并非如此。

地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。

当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。

要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。

而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。

那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。

这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。

而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。

每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。

从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。

换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。

这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。

听起来匪夷所思，但事实确实如此。

而事情还可以变得更加违反直觉。

由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。

以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。

这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。

原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。

相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。

正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。

因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。

这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。

不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。

至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。

它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。

借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。

不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。

在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。

听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。

问题的关键在于能量守恒。

当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。

一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。

相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。

行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。

所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。

理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。

一光年有多远？人类探测器飞了50年，才飞了一光天？

一光年到底有多远？为什么人类的探测器飞了快五十年，却连这段路的百分之一都没走完？ 更扎心的是，就算你真的飞到一光年外，也还没到最近的另一颗恒星。

你甚至可能还在太阳系外围，连这片家门口的荒地，都没有彻底穿过去。

你肯定听过答案：一光年，大约九万四千六百亿公里。

可这个数字太大了。

多念一个零，少念一个零，对你的感觉几乎没有区别。

所以这一次，我们换一把尺子。

把太阳缩成一颗直径两点五厘米的玻璃球，放在你面前。

地球跟着缩小，只剩一粒细沙那么大。

你把它放到距离玻璃球两米七的位置，地球轨道就摆好了。

接下来往外走。

走过木星、土星，一直走到八十多米外，你终于放下海王星。

整个八大行星的地盘，看起来也就一个足球场的尺度。

那么，一光年的刻度，应该放在哪里？球场外面？隔壁街道？还是城市另一头？ 都不够。

你得从这颗玻璃球出发，走出去大约一百七十公里。

记住，地球才在两米七外。

海王星才在八十多米外。

而你现在要跨过的，是一段足以连接两座城市的距离。

沿途绝大多数地方，连一颗行星都没有。

你以前看到的太阳系示意图，把行星挤得整整齐齐，却很难让你真正感受到，它们之间到底空成什么样。

如果把人类的探测器，也放进这套模型呢？ 旅行者一号，一九七七年出发，掠过木星和土星，一路飞向太阳风影响之外。

它每秒能飞十七公里。

你眨一下眼，它就已经越过一座城市的一部分。

可持续飞行近半个世纪，它在这套模型里，也不过走到距离玻璃球几百米的地方。

前面那条通往一光年的路，依然长得几乎看不到尽头。

按每秒十七公里算，飞完一光年，需要大约一万七千六百年。

你出发时留下的城市，可能已经消失。

你说的语言，可能早就没人听得懂。

而飞船，还在赶路。

你可能觉得，这不公平。

旅行者一号毕竟是几十年前的技术。

换一台快得多的探测器，总能把时间压下来吧？ 帕克太阳探测器，在最接近太阳时，速度能达到每小时约六十九万公里。

假设它能一直保持这样的速度，飞完一光年，仍然需要一千五百多年。

而且，这已经是一个过于理想的假设。

帕克的极速，来自它沿轨道冲向太阳时的加速。

离开太阳之后，它会减速。

那个惊人的纪录，不能直接变成一张通往恒星的车票。

不过，先让我们跳过这些困难。

假设未来的你，终于抵达一光年外，在那里建起了一座太空站。

你回头看，太阳还看得见吗？ 看得见。

它不会彻底淹没在星海里，仍然会是一颗非常明亮的星。

但你熟悉的金色圆盘消失了，剩下的，只是一个指向家的光点。

抵达这里的阳光，比地球附近微弱了约四十亿倍。

能看见它，不代表还能靠它照亮身边的世界。

就像远处一盏灯，你知道它亮着，脚下却依旧一片漆黑。

至于地球，那颗你想念的蓝色星球，肉眼已经根本找不到。

它自己不会发出可见光，只能反射太阳的光。

那一点微弱的亮度，几乎淹没在太阳旁边。

更让人难受的是，就算设备足够好，让你看清了家乡，你看到的，也是一年前的地球。

因为光从那里来到你的眼睛，已经走了整整一年。

这时候，你想给家里发一条消息。

今天是家人的三十岁生日。

你对着镜头说出生日快乐，按下发送。

消息离开天线，穿过黑暗，等它抵达地球，那个人已经三十一岁了。

对方看完，立刻回复一句谢谢。

你再收到这两个字时，又过去一年。

一来一回，两年。

这里最奢侈的东西，可能就是一次普通的聊天。

你问家里今天怎么样，等到回答抵达，那个今天，早就变成了两年前。

你换更好的天线，能让画面更清楚，声音更清晰，却不能把这一年变成一秒。

无线电和激光，在真空中都以光速传播。

设备可以升级，距离带来的等待，却不会自动消失。

如果太空站突然出了故障呢？你向地球求救，就算那边的人收到后立刻想出解决办法，操作指令也要等两年，才能回到你手里。

真正走进星际空间，你得先学会自己解决问题。

因为在这里，连一句别着急，都可能来不及。

可一光年外，到底有什么在等你？ 没有一堵墙，没有一条天然边界，也没有一颗刚好停在那里、等你登陆的星球。

这只是人类在宇宙里画下的一道刻度。

我们认为，远离行星轨道的地方，还分布着奥尔特云中的冰冷天体。

它的范围仍有不确定性。

一光年的终点，甚至可能还没有超出这片遥远的区域。

穿过太阳风形成的边界，和离开所有绕太阳运行的天体，并不是同一件事。

而最近的另一颗恒星，比邻星，距离我们约四点二四光年。

你费尽力气走完这一光年，连去它那里的四分之一路程，都还没走到。

所以，下次再听见一光年，不妨想想那颗玻璃球。

地球在两米七外，你站在一百七十公里外。

脚下没有路灯，没有补给，也没有能立刻回答你的人。

而这段让人类飞上一万多年、让一句问候往返两年的距离，在宇宙里，却只是尺子上最开始的一个刻度。