窥探美丽而又神秘的气态巨行星——土星

土星至太阳的距离由近到远排名第六，是太阳系中第二大行星。

因其炫目的光环，土星在太阳系中尤显独特。

虽然土星并不是唯一一个有行星环的行星，但也找不到另一个像土星这样拥有如此壮观且复杂行星环的行星了。

和气态巨行星木星一样，土星是一个主要由氢氦构成的巨型球体。

由卡西尼号所拍摄到向日的土星，为接近真实色彩的影像

土星周围有六十多颗已知的卫星，拥有一些太阳系中最迷人的景色。

土卫二撒出的水滴，土卫六上烟雾弥漫的沼气湖，这些都证明了土星系统是科学发现的丰富来源，这里依然存在着许多谜团。

旅行者1号发现北极区的六边形云彩特征，并在2006年被卡西尼号太空船证实

由于土星是肉眼可见的最遥远的行星，古时候人们就知道了这颗行星。

土星的名字来源于罗马的农业和财富之神，也是朱庇特（木星，即希腊神话中的宙斯）的父亲。

土星的半径为60330千米，是地球的9倍多。

如果说地球有五分镍币大小，那么土星就有排球那么大。

从 14亿千米的平均距离来看，土星距离太阳9.5个天文单位。

一个天文单位（缩写为AU）的长度是地球到太阳的距离。

从这个距离来看，太阳光到达土星大概需要80分钟。

土星与地球的粗略大小对比图

土星的昼夜交替周期是太阳系中第二短的，只有10.7小时（土星自转一次的时间），土星绕太阳公转一周所需的时间（土星上的一年）是地球上的29.4年（10756天）。

以太阳轨道为基准，土星轴线的倾斜度为27.63度。

地球的倾斜度也与之相似，为23.5度。

这种现象意味着土星与地球的季节相似。

45亿年前，太阳系其他部分开始演化，引力将气体和灰尘涡动形成了这个气态巨行星。

大约40亿年前，土星在太阳系外层的位置变得稳定，成为了距离太阳的第六近的行星。

与木星一样，土星也主要是由氢和氦构成的，同样的两种元素也是太阳的组成物。

土星中心为密实的金属芯，可能包括铁或镍，包裹在外面的是坚硬的金属和其他因被加压加热而变得稳固的化合物。

在液体氢层内部，化合物周围还有液体游离态的氢——它的核心部分与木星相似，但体积更小。

很难想象，土星是太阳系唯一一颗平均密度低于水的行星。

这颗气态巨行星可以漂浮在浴缸中。

土星作为一颗气态巨行星没有真正的外表面。

这颗行星主要是由涡动的气体和内部的液体固体组成。

飞行器在土星上无处停放，同样也无法完好无损地穿过。

在飞行过程中，由于行星内部极端的高温高压，飞行器可能融化或蒸发。

土星表面覆盖着微弱的条状云气、气流以及风暴，深浅不一，呈现出黄色、棕色、灰色等不同的色彩。

土星的赤道地区高层大气风速可以达到每秒500米，而地球上最强劲的飓风也不过每秒110米。

还有土星赤道地区的气体压力，与潜入深水时的感受相同，其压力之大可以将气体转换为液态。

土星的北极点处有个有趣的气象现象——一条六边形的气流柱。

这个六边形的图案由旅行者一号飞行器首次发现，之后的卡西尼号飞船加大了对其的观测力度。

这个六边形呈现出摇摆的气流状，宽度大约有30000千米，其间风速可达每小时2322千米，且气流柱中心存在着大规模、旋转态的风暴。

此种气候特点在太阳系中独一无二。

目前，我们对土星还知之甚少。

但土星上的温度、压力、物质状况十分极端且不稳定，生物体很难适应。

我们知道了土星不适宜生物居住，也就知道了它的一些卫星也不适宜。

但内部存在海洋的卫星土卫二和土卫六也许可以为生命体提供条件支持。

土星的卫星是一大批迷人独特的世界的组合体。

从被雾霾笼罩的土卫六到陨石坑密布的土卫九，土星的每个卫星都讲述了一段围绕着土星的故事。

目前土星有53个已确认的卫星，另有9个暂定的卫星。

这张2012年的卡西尼图像显示的是土卫六及其行星土星。

图片NASA/JPL-Caltech/SSI

土星环被认为是在到达行星之前，已经被土星强大的引力撕裂的破碎彗星、小行星或行星碎片。

它们由数十亿块小块的冰块和岩石组成，上面覆盖着类似灰尘的其他物质。

这些环形颗粒大多，小至尘土般的微小冰粒，大到房子大的块状物体。

极少数颗粒能有山体那么大。

如果你从土星的云顶上看这些环，你会发现它们大多是白色的，有趣的是，每个环的运行速度都不一样。

土星的环系统延伸到距离地球28.2万公里的地方，但主环部分的垂直高度通常是10米左右。

这些环相对较近，除了一个宽4700公里的缺口被称为卡西尼缝 Cassini Division，该缺口将A环和B环分隔开来。

光环按照它们被发现的顺序根据字母顺序排列，主要的环是A、B、C环。

D、E、F环和G环比较微弱，最近才被发现。

从土星开始向外移动，有D环、C环、B环、卡西尼缝、A环、F环、G环，最后是E环。

在更远的地方，有一个非常微弱的弥漫性环带——菲比环。

土星环是太阳系中最引人注目的景象（这张影像是卡西尼太空船在2007年拍摄的）

土星的磁场比木星小，但仍然是地球的578倍。

土星，土星环，以及许多卫星完全处于土星的巨大磁层中，在这个区域内，带电粒子的行为很少太阳风的影响，而受土星磁场的影响更大。

当带电粒子沿着磁场线螺旋进入行星大气层时，就会产生极光。

地球上，带电粒子来自太阳风。

卡西尼号观测数据显示，土星的极光中至少有一部分像木星一样，基本上不受太阳风的影响。

相反，这些极光是由土星卫星喷出的粒子和土星磁场的快速自转共同造成的。

但这些非太阳起源的极光还没有完全研究清楚。

上图为哈勃空间望远镜拍摄到的土星南极光

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。