經典行星故事 | 長「耳朵」的美麗行星——土星

科技 05-06

賽先生導讀

由於被獨一無二的光環所環繞，土星可謂是「太陽系最美麗的行星」。伽利略是第一個發現土星長有「耳朵」（光環）的人。除此以外，土星還有一個與眾不同的地方，即平均密度比水還小，乍聽上去，好像可以「浮」在水上似的。

與木星相似，土星也有一眾衛星拱立在側，而且不乏「土衛六」（又稱「泰坦」）這樣的明星衛星。「土衛六」是已知太陽系衛星中唯一有大氣和表面液體的。天文學家們曾對其上存在初等生命抱有一定期待，但它真能讓人如願嗎？

盧昌海 / 文

一能「浮」在水上的行星

美國天文學家泰森(Neil deGrasse Tyson) 寫過一本自傳，叫做《天空不是極限》(The Sky Is Not The Limit)。在其中，泰森提到他 14 歲那年有幸與很多科學家同船前往非洲西北海岸觀看日全食。在船上舉辦的趣味競答中，泰森因答出一道關鍵的題目而大大露了臉。那道題目是：除美麗的光環外，土星還有什麼特徵與其他行星截然不同？答案是：土星是太陽系裡唯一可以浮在水上的行星——因為它的平均密度不到 0.7 克/厘米3，比水還小。

我讀到泰森的這段回憶時不禁有些扼腕，因為我在他那個年齡時也是知道這一點的，可惜卻不曾有那樣的機會來「顯擺」。不過，咱們這篇土星故事倒是可以從土星的這一特點開始談起。

關於這一特點，其實應該指出的是：所謂土星「可以浮在水上」只是形象描述，便於讓人對土星的平均密度比水還小這一特點有一個深刻印象，事實上卻是不成立的。讀者也許會說，那是當然啦，因為根本就沒有那麼大的「海」，能容得下土星嘛。這當然也沒說錯。不過，土星之不能浮在水上並非只是因為沒有那麼大的「海」，而是原則上就不可能。為什麼呢？因為當普通物質——比如水——的數量積累到能與巨大的土星相提並論時——甚至遠遠不到這一數量時，引力就將成為主宰一切的力量。那些本質上是由原子或分子之間的其他相互作用產生的，在日常尺度上相當「頑固」的宏觀物性在引力面前將會「一敗塗地」，遭到徹底改變。

引力的這種主宰作用我們其實早就見識過了，比如在上一篇《木星：作為「眾神之王」的太陽系行星老大哥》里我們就已提到過，像氫那樣的所謂氣體在木星引力產生的巨大壓強作用下可以變為液體，乃至成為「液態金屬」。而所有大型天體共有的接近球形的形狀則從另一個側面告訴我們，在巨大的引力面前，組成大型天體的任何物質本質上都是「軟」的，只能任由引力將之「揉捏」成天然的形狀——球形[1]。知道了這一點，就可以很清楚地推斷出，倘有一個以體積而論容得下土星的「海」，那麼不僅其深處的物態將顯著不同於普通的液態水，而且土星也決不可能浮在「海」上，而是會「融化」到「海」里，兩者共同組成一個接近球形的新天體。這是引力所能允許的唯一結果。

談完了這段插曲，我們正式介紹一下土星。

跟木星一樣，土星也是一個氣態巨行星，它的質量約為木星質量的 30%(或相當於地球質量的 95 倍左右)，體積約為木星體積的 68%(或相當於地球體積的 764 倍左右)，兩個數據都在太陽系已知行星中位居第二。土星的這兩個數據給我們提出了一個問題，那就是：土星和木星在塊頭上的差別為什麼遠不像質量上的差別那麼懸殊？這個問題的答案某些讀者或許猜到了，那就是我們在介紹類地行星時曾經提到過的，行星的質量越大，引力就越強，自重造成的壓縮作用也就越顯著。由於氣體的壓縮性遠大於固體，因此雖然氣態巨行星並非整體氣態，自重造成的壓縮作用仍比類地行星的顯著得多。事實上，某些模型計算顯示，氣態巨行星存在一個與元素組成有關，但與總質量幾乎無關的特徵半徑。對於元素組成像土星和木星那樣的氣態巨行星來說，這個特徵半徑約為70,000 公里，很接近木星的平均半徑，這是土星和木星在塊頭上的差別遠不像質量上的差別那麼懸殊的主要原因[2]。

同樣跟木星一樣，土星雖是氣態巨行星，其實也只有外層物質才是真正氣態的，無論以相對質量還是相對體積而論，氣態部分實際上都並不大。氣態巨行星跟類地行星的最大不同之一，與其說是氣態與固態之別，不如說是前者不像後者那樣存在一個可以明確指認的固態「表面」，因為氣態巨行星的物質狀態是自外而內漸變的。

具體地說，土星物質自外而內的漸變是這樣的——當然也主要是基於模型分析：表面以下約1,000 公里處，土星物質將由氣態轉變為以液態氫為主的液態。這個深度與木星物質由氣態轉為液態的深度幾乎一樣，這一點可能會讓細心的讀者感到奇怪，因為土星的質量遠小於木星，引力產生的壓強也小於木星，為何物質狀態會在幾乎同樣的深度上由氣態轉為液態呢？這是因為物質的狀態跟溫度也有密切關係，土星由於離太陽更遠 (平均距離約為 9.5天文單位，比木星離太陽的 5.2 天文單位遠了近一倍)，相應地，同等深度的殼層內的土星物質的平均溫度要比木星物質的平均溫度更低，從而更容易變成液態，這一因素恰巧抵消了壓強的不足。再往下，在深度約15,000 公里處，液態氫進一步變成了液態金屬氫。而最終，在一個半徑約25,000 公里的核心區域里，聚集了土星物質里的重元素，數量與木星的相比可能略小，但仍比整個地球的質量還大一個數量級左右。

由於離太陽更遠，土星雲層的平均溫度也比相應的木星雲層的平均溫度更低，這種溫度差別產生了一個很顯著的觀測效應，那就是形成了一個幾乎覆蓋整個土星的氨冰構成的高空雲層。這個雲層不僅給了土星一個貌似「文靜」的模樣，而且也是土星那淡黃色基本色調的主要來源。不過，這個貌似「文靜」的模樣純屬表面現象，在它下面的真正的土星大氣運動，是狂暴程度與木星大氣運動相比有過之而無不及的——有時甚至會撕裂氨冰雲層而露出崢嶸。在對土星有些基本了解之後，這一點其實是順理成章的，因為造成木星大氣運動狂暴的主要原因——星體深處的熱量造成的對流以及星體的快速自轉——對土星來說也是一個都不缺的。

與木星高度相似，土星向外輻射的能量也比它從太陽吸收的能量更多，且多出的部分也相當顯著 (比來自太陽的總能量更多)。跟木星不同的是，土星由於引力較弱，不太可能像木星那樣以自身的緩慢收縮作為額外能量的全部來源 (雖然那本身也只是假設)。那麼，土星的額外能量從何而來呢？這個問題在很長一段時間裡難倒了科學家們。假如這個問題得不到正面解決，留給我們的將是一個很糟糕的假設，那就是假設土星遠比太陽系的其他行星更年輕。這個假設之所以會被提出，是因為所有行星在形成之初都處於高溫狀態——因為都是無數次大碰撞的產物，然後慢慢冷卻。土星不夠「冷」的一種顯而易見的可能性就是它形成於不那麼遙遠的過去，從而殘留了更多的大碰撞餘溫。但估算表明，要想用這個假設解釋土星的額外輻射，土星的年齡將只有 25 億歲——比太陽系其他行星年輕了整整 20 億年！從目前公認的太陽系演化理論的角度講，這個假設是相當荒謬的。但如果不接受這個荒謬假設，就必須為土星的額外能量找到一種新來源。

到底什麼機制可以為土星的額外能量找到新來源呢？最近科學家們在這方面有可能取得了一些進展，他們提出了一種被稱為「氦雨」 (helium rain) 的機制。按照這種機制，土星內部的液氦會像下雨一樣落向土星的中心，在下落過程中將引力勢能轉變為熱能。模擬計算顯示，這種機制不僅具有一定的物理可行性，與觀測到的土星額外輻射相比也有不錯的吻合，因而是頗有希望的。有趣的是，這種機制從某種意義上講跟木星的緩慢收縮一樣，也是一種早年曾被用來解釋太陽的能量來源，卻不幸遭到淘汰的機制——當然細節上是完全不同的，因為在後者中落向太陽中心的不是「氦雨」而是隕星[3]。這些在解釋太陽的能量來源時遭到淘汰的機制在行星世界裡浴火重生不是偶然的，宇宙的浩瀚提供了很大的機會，使得很多不違背物理定律的機制都有可能在某個角落裡找到讓自己亮相的舞台。

同樣與木星高度相似，土星也是一個自轉很快的行星。這個太陽系行星里的「千年老二」不僅質量和體積排行「老二」，自轉周期之短也同樣是「老二」——略多於 10 小時，與木星相近而遠比其他行星的短。由於自轉之快接近木星，密度和引力卻遠低於木星，土星因自轉造成的形變比木星的更為顯著：赤道直徑比兩極直徑長了近12,000 公里 (相應的扁率約為 9.8%)，幾乎相當於地球的直徑。除自轉很快外，土星跟木星一樣，也存在「較差自轉」的現象，而且比木星的更顯著，赤道附近區域和兩極附近區域的自轉周期約為 10 小時 14 分鐘，與其餘部分相比短了約 24 分鐘，遠比木星「較差自轉」所涉及的 5 分鐘來得大，這是土星大氣運動甚至比木星大氣運動更為狂暴的重要原因。

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「卡西尼」號拍攝的土星「六邊形」

從細節上講，土星大氣中雖沒有像木星大紅斑那樣引人注目的結構，卻也有自己的「獨門」奇觀：一個位於北極區域的「六邊形」 (hexagon)。這個「六邊形」是土星雲層里的一個巨型圖案，邊長將近 13,800 公里，以面積而論足可放下地球而綽綽有餘。由於所處位置等因素的影響，這個「六邊形」巨型圖案從地球上直接觀測是比較困難的——雖然在知道其存在之後也並非不能，因此直到上世紀 80 年代才在對「旅行者」系列飛船所拍攝的相片作技術分析時被發現，此後則分別得到了地球上的直接觀測，以及「卡西尼號」 (Cassini) 土星探測器所拍攝的相片的證實。

土星上的「六邊形」巨型圖案是如何形成的呢？科學家們也作了探討。在旋轉流體中出現多邊形——尤其是六邊形——圖案的本身是算不上神秘的，因為那是實驗室里就能再現的東西 (比如桶中的旋轉流體就能產生出那樣的圖案)。但實驗室里的那些多邊形圖案能否用來說明土星上的「六邊形」則是尚無定論的，因為土星雲層的環境跟實驗室里產生多邊形圖案的環境有著不小的差別——比如土星雲層里並不存在「桶」。不過經過很多科學家多年的研究，有些模擬土星雲層環境的計算已經可以得出與土星上的「六邊形」相近的結果，雖不能算一錘定音，卻給了人們很大的希望。

二土星的光環和衛星

關於土星本身，我們就介紹到這裡。照說這個系列既然名為「經典行星的故事」（全系列請見http://www.changhai.org/articles/science/astronomy/planets/index.php），重點就該只是行星本身，在以往各篇中，我們也確實是這麼做的，甚至連我們頭上的那輪明月——地球的衛星——也沒佔到什麼篇幅。不過到土星這裡，有必要破一次例了。因為所有其他行星都可以獨自出鏡，唯獨土星是連一張不帶光環的相片都很難找到的——當然，指的是近距離相片。因此，雖為「身外之物」，土星的光環 (rings of Saturn) 卻實在是這顆行星「神聖不可分割的一部分」，值得破例介紹。

土星是「太陽系最美麗的行星」，這一點如今大約算得上是公認無疑的。但另一方面，她不僅不像金星那樣頂著「阿佛洛狄忒」或「維納斯」的美名，而且還有一個特「土」的中文名字。出現這種「名不副實」的情形並非偶然，乃是因為土星的美麗在於其光環，而土星的光環卻是肉眼無法看見的，因而在人們為經典行星命名的年代裡完全不為人知。

最早發現土星光環的人是義大利科學家伽利略。1610 年，這位用望遠鏡觀察星空的科學先驅發現土星是一個左右各長了一隻「耳朵」的行星，用他比較正式的文字來說，「土星不是單個的，而是由三個彼此幾乎相接的部分組成的」。由於那時伽利略已經發現了木星的四顆衛星，因此地球以外的其他行星有衛星已不再是出人意料之事，但土星那兩隻「耳朵」不僅形狀不像衛星，塊頭遠大於衛星，而且也不像衛星那樣在相對較短的時間之內就改變位置。更奇特的是，它們的位置也並非完全不變，只是變得特別緩慢。到了1612 年，又一樁奇事發生了：土星的「耳朵」不翼而飛！這一現象讓伽利略發出了「對於這種如此令人驚訝，如此出人意料，如此新奇的情形，我不知道說什麼才好」的感慨。感慨之餘，他也許想起了土星因之而得名的那位巨神在希臘神話里叫做克洛諾斯(Cronus)，其最著名的「事迹」就是吞吃自己的兒子。「土星吃掉了自己的孩子嗎？」伽利略如是問道。不過一年之後，土星的「耳朵」又重新長了出來，這問題也就不了了之了。

伽利略雖發現了我們如今稱為土星光環的東西，但他的望遠鏡不夠大，使他終其一生也未能窺視出土星「耳朵」的真面目[4]。不過儘管不知道土星「耳朵」的真面目，它的存在卻也印證了伽利略的一個重要觀點，即行星並不如當時人們宗教式想像里的那樣完美。伽利略的很多天文發現，比如月球的地貌，太陽的黑子等等，都直接衝擊了天體完美的觀念，土星的「耳朵」乃是又一個例子。伽利略對這一發現相當重視，在正式宣布之前就先用字謎 (anagram) 的形式確立了優先權。據說這是開了科學家用字謎宣布發現的先河。自那以後，字謎不僅在包括牛頓(Isaac Newton)、胡克 (Robert Hooke) 在內的科學家之中，而且還在當時跟科學家的區分還比較模糊的鍊金術士、占星術士和巫師之中流行了起來。

那麼，最早意識到土星「耳朵」是光環的人是誰呢？是荷蘭科學家惠更斯 (Christiaan Huygens)，時間為1655 年。那時伽利略已經去世 13 年了，望遠鏡技術也有了進一步提高。利用時間帶來的「技術優勢」，惠更斯發現被伽利略稱為「耳朵」的東西乃是一個與土星不相接觸的既薄且平的環。如果土星的「耳朵」是一個既薄且平的環，那麼它的形狀不像衛星以及塊頭遠大於衛星就都不是問題了，不像衛星那樣在相對較短的時間之內就改變位置也變得顯而易見了，因為環轉來轉去也仍然還是環，只有隨著土星本身相對於地球的方位改變才會緩慢改變；甚至連它的消失和重現之謎也迎刃而解了，因為那隻不過是隨著土星本身繞太陽的公轉，在每個公轉周期中會有兩個時段，環恰好以側面對著地球，由於很薄的緣故，環的側面哪怕用望遠鏡也無法看到，就自然形同消失了 (感興趣的讀者可以據此推算一下，土星光環兩次「消失」之間會間隔多長時間？並跟[注四] 中提到的伽利略的預言比較一下)。

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土星

但是惠更斯雖然從大致形狀上發現了土星光環，土星光環究竟是什麼東西組成的，卻依然是個謎。在此後很長的時間裡，很多天文學家對土星光環作了細緻觀測，也作出了一些新發現——比如義大利科學家卡西尼 (Giovanni Cassini) 在土星光環中發現了縫隙[5]，但對於土星光環的組成，則大都認為是固體——或者更確切地說，被縫隙隔開的那些相互嵌套的環每個都被認為是固體。這一局面直到兩百年後的 19 世紀中葉才有了實質改變。

改變的契機是土星光環的固體模型遭遇了很大的動力學上的困難。比如著名的法國科學家拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace) 發現，由於離土星很近，土星光環會受到來自土星引力的巨大潮汐作用。在那樣的情形下，土星光環要想維持為固體，必須在密度分布和旋轉速度等方面滿足相當苛刻的條件。不僅如此，土星光環的固體模型還存在著不穩定性，受到很小的擾動就會墜落到土星上。這些困難雖未使人們放棄固體模型 (事實上，就連拉普拉斯本人也通過某些連他自己也說不出細節的假定，頑固地相信著土星光環的固體模型)，卻無疑削弱了它的說服力。另一方面，在那兩百多年間人們又發現了土星光環的某些新變化，比如新縫隙的出現和舊縫隙的變大。這些變化雖然緩慢而細微，對土星光環的固體模型卻構成了顯著挑戰。有鑒於固體模型左支右絀的不良表現，1855 年，劍橋大學聖約翰學院 (St John"s College) 將研究土星光環的運動及穩定性作為了第四屆亞當斯獎(Adams prize) 的選題。

兩年後，這屆亞當斯獎被年僅 26 歲的麥克斯韋(James Clerk Maxwell) 所摘取。麥克斯韋經過縝密研究，將土星光環固體模型的成立條件壓縮到了足以與觀測相矛盾的狹窄範圍之內，從而實際上排除了固體模型。不僅如此，他還同時排除了土星光環為液體的可能性[6]。經過那樣的排除，最終只剩下了一種可能性，那就是土星光環是由「無數相互分離的粒子」所組成的。由於當時的觀測手段尚不能對土星光環的細緻結構進行判定，因此麥克斯韋的研究是一種典型的理論預言。這一預言在 40 年後的1895 年得到了初步證實：光譜學研究顯示出土星光環的轉動及振動方式都與它由「無數相互分離的粒子」所組成的假設相一致。而最終，「先驅者號」、「旅行者號」、「卡西尼號」等行星際飛船的近距離觀測直接證實了土星光環確實如麥克斯韋所預言的，是由「無數相互分離的粒子」所組成的。

按照我們現在的了解，土星光環的結構是非常複雜的，伽利略觀察到的「耳朵」屬於其中最亮的部分，卡西尼觀察到的縫隙則是最亮的部分當中的縫隙。那縫隙如今被稱為卡西尼縫(Cassini Division)，寬度約為4,800 公里，被其隔開的兩部分環分別被稱為 A 環和 B 環，其中 B 環最亮，位於內側，從距土星中心約92,000 公里處延伸到 117,600 公里左右 (寬度約25,600 公里)； A 環次之，位於外側，從距土星中心約122,200 處左右延伸到 136,800 公里左右 (寬度約14,600 公里)。除這些最顯著的環和縫之外，在 B 環以內和 A 環以外還各有其他的環，在更細緻的觀察下，則不僅環內有縫，縫內也還有環，複雜程度遠遠超乎早先的想像。

土星光環的結構雖然複雜，延展範圍雖然廣闊，厚度卻極薄，比如最明亮的 B 環的平均厚度只有十來米。厚度十來米，延展範圍幾萬乃至十幾萬公里，這是一種什麼樣的比例呢？它相當於一張面積比天安門廣場還大的薄紙！土星光環如此扁平當然絕非偶然，而是引力相互作用造成的。從某種意義上講，土星光環簡直是一個天然實驗室，適於探究引力相互作用下的多體問題，因為土星光環的很多特徵都是引力相互作用下的多體問題所產生的相對穩定——從而也相對容易研究——的形態。比如土星光環的高度扁平乃是因為相對於平均軌道平面以一定傾角運動的粒子比較容易與傾角相反的粒子相碰撞 (就好比一批方向混亂的車子對撞的幾率比追尾的幾率大)，而那樣的碰撞平均而言會減小兩者垂直於平均軌道平面的速度分量，從而傾向於使兩者的軌道都更接近平均軌道平面。這種過程很快就會使得組成土星光環的粒子高度集中到同一平面上來。

當然，土星光環也絕非嚴格的平面，在土星衛星等天體的引力攝動之下，土星光環上會出現種種波動，幅度大的可達數公里 (即相當於光環厚度的數百倍)。這種有趣的波動現象使一些天文學家覺得，研究土星光環曾經像是研究地理，如今倒像是在研究變化多端的天氣。除了波動外，土星光環的寬度、環與環之間的縫隙等等也都與土星衛星的引力攝動、以及各種各樣的軌道共振等因素密切有關，土星的某些小衛星甚至像牧羊犬看護羊群一樣控制著土星光環的寬度——它們也被恰如其分地稱為了「牧羊犬衛星」 (shepherd satellite)。這些都是雖有一定複雜性，在以複雜著稱的引力多體相互作用之中卻相對容易的問題，從而十分有趣。

如果說對於土星光環的形態我們算是有了一定的理解，那麼這種理解其實是在土星光環存在的前提之下展開的。土星光環的存在本身——即它為什麼會存在，以及從什麼時候開始存在——卻是完全不同的問題。這其中土星光環為什麼會存在是相對來說容易解釋的，因為早在1849 年，法國科學家洛希 (édouard Roche) 就從理論上證明了，一個靠自身引力凝聚起來的天體離一個中心天體足夠近時，會因為自身引力無法抗衡中心天體的引力潮汐作用而解體。這個解體距離被稱為洛希極限(Roche limit)，具體數值跟兩個天體的物質組成等若干因素有關[7]。具體到土星光環上，分析表明，土星光環的主體部分位於其相對於土星的洛希極限之內，因而無法像其他區域里的物質那樣在自身引力作用下凝聚成衛星，從而只能以光環的形式存在。

但土星光環從什麼時候開始存在則迄今尚有爭議。有些天文學家認為土星光環是新近才產生的——當然，所謂「新近」是天文學意義上的，起碼也有數千萬年，具體的過程則是：一顆土星衛星「新近」跑到了土星的「卧榻之側」，不幸與其他衛星碰撞解體或被土星的引力潮汐作用撕成了碎片——總之是粉身碎骨了。對於這種觀點，天文學家有一個幽默的表示，那就是：假如恐龍有望遠鏡——或裸視力足夠厲害——的話，它們看到的土星也許是光禿禿不帶光環的，因為在它們的時代，土星光環尚不存在。這種觀點的理由之一是土星光環非常明亮，所含多為「冰清玉潔」的水冰粒子，說明其存在時間不長，尚未被星際塵埃所污染；理由之二則是從土星光環與土星衛星等的互動中推測出土星光環不是一個長期穩定的系統，從而存在時間不可能太長。不過，這些理由都並非很「鐵」，因為無論污染的快慢還是穩定時間的長短都跟很多因素有關，難以確切推算。這也就給另一種看法提供了空間，那種看法認為土星光環可能跟土星本身差不多古老。

土星不僅有美麗的光環[8]，而且也跟木星一樣有一個龐大的衛星系統。若筆者所記不差的話，那麼在筆者念小學或中學那會兒，已知的土星衛星有 23 個，木星衛星卻只有 18 個，土星的衛星系統以衛星個數而論比木星的還龐大。後來隨著觀測手段的演進，兩者的衛星數目都在攀升，但土星仍保持了一段時間的領先。不過後來，「胳膊擰不過大腿」，土星的優勢終於不保，在衛星數目上也不幸跟自己「千年老二」的身份相符了。截至 2013 年，土星的衛星數目以 62 比 67 落後於木星。

在土星的諸多衛星中，也不乏明星衛星。木星有四大「伽利略衛星」，土星則有一個大名鼎鼎的土衛六——也稱為「泰坦」 (Titan)。這顆以巨神命名的衛星是1655 年由惠更斯發現的，有時也被稱為「惠更斯衛星」 (Huygens" moon)，它的塊頭在太陽系所有已知衛星中位居第二，僅比木衛三略小，卻比八大行星之一的水星還大[9]。

土衛六不僅塊頭巨大，而且有很多獨一無二之處。比如它是已知的太陽系衛星里唯一有大氣層的——而且還相當濃密。土衛六的表面平均氣壓甚至比地球的還高 45%左右，大氣總質量也比地球的高出近 20%。與木衛二 (即「歐羅巴」) 相類似，天文學家們對土衛六上存在初等生命的可能性也有一定的期待。出於對土衛六的巨大興趣，2004 年 12 月，前面提到過的「卡西尼號」土星探測器向土衛六投放了一個名叫「惠更斯號」(Huygens) 的登陸探測器。 2005 年 1 月 14 日，「惠更斯號」在土衛六上成功登陸，成為在外太陽系天體上登陸的第一個航天器。在「惠更斯號」所取得的觀測成果中，包含了對土衛六另一個獨一無二之處的證實，那就是土衛六是已知太陽系衛星中唯一存在表面液體的——它有大量真正的 (即並非乾涸的) 湖泊。這是一個非同小可的特點，別說在衛星之中，哪怕把行星也算上，也只有地球能在這一特點上與土衛六為伍。由於既有大氣又有液體，土衛六的地貌與地球的相當相似。不僅如此，「惠更斯號」還在土衛六上「聽」到了風聲——這恐怕是人類在地球之外首次聽到天然的聲音！不過，這一切的相似都只是形式上的，土衛六的大氣和表面液體的成分——尤其是後者——跟地球的是很不相同的，而且用地球人的審美來看，土衛六的地貌雖與地球的相似，整體氛圍卻令人窒息：濃密的大氣層加上離太陽的遙遠使得土衛六的表面光照只有地球表面晴天光照的千分之一左右 (不過仍相當於數百個滿月)，而且從土衛六表面看到的大氣顏色是橙色的。一個昏暗的橙色世界如果還不足以使人抓狂的話，那麼我們還可以再提醒一句：土衛六的表面溫度也不太舒適——約為零下 180 攝氏度 (—180°C)。

這樣我們就結束了對土星、同時也是對太陽系六大經典行星的介紹。比六大經典行星更遙遠的太陽系天體都是近代、現代乃至需要留給後代去發現的，那其中目前位居行星之列的只有天王星和海王星那兩個不太巨大的氣態巨行星[10]。再往外——在若干光年之外，在其他恆星周圍，目前已發現了數以千計的行星，它們共同組成了一個正在快速擴容的豐富多彩的行星世界。相對於如此龐大的行星世界來說，太陽系六大經典行星只是滄海一粟，但人類對六大經典行星的探索卻並不渺小，因為它不僅是漫長征程的起點，也是未來探索的縮影。沿著這條探索的征程，無數令人興奮的東西還有待我們去發現。

注釋：

1. 事實上，所有直徑在數百公里以上的天體——包括幾個所謂的「小行星」——的形狀都是接近球形的，因此「大型」的門檻並不高。當然，這裡我們忽略了天體自轉等「准引力」因素造成的大範圍形狀偏離球形的現象，但這並不影響我們的敘述邏輯。

2. 當然，特徵半徑的存在只是說明氣態巨行星的半徑變化範圍較窄，對質量的依賴較不敏感，而絕不意味著氣態巨行星的半徑與質量無關。更何況不同氣態巨行星的元素組成也不會完全相同，因此土星的半徑畢竟還是要比木星的略小，而質量比木星更大的氣態巨行星的半徑通常也會略大。不過模型計算表明，元素組成與木星相似的氣態巨行星的最大半徑也不過就是80,000 公里左右，那種氣態巨行星的質量約為木星質量的 4-5 倍。質量繼續增大時，氣態巨行星的半徑反而會略微縮小。

3. 這一機制因此而被稱為「隕星說」，對這一機制感興趣的讀者可參閱拙作《太陽的故事》的第 8 節。另外需要說明的是，新近的研究顯示「氦雨」很可能在木星上也存在，不過土星的低溫條件更有利於它的產生。

4. 值得一提的是，伽利略雖未能窺視出土星「耳朵」的真面目，對它的了解卻也並非泛泛。在給一位朋友的私人信件中，他預言了土星「耳朵」的下一次消失將不會早於 1626 年。他那封信於1622 年被他朋友所公布，而土星「耳朵」確實在1626 年才再次消失。不過，伽利略並未記述過自己做出此種預言的理由，也並無跡象表明那是因為他知道或猜到了土星「耳朵」乃是土星光環。

5. 這個縫隙因此而被稱為了「卡西尼縫」 (Cassini Division)。前面提到的土星探測器「卡西尼號」 (Cassini) 也是因卡西尼而命名的。

6. 確切地講，麥克斯韋所排除的是土星光環為不可壓縮流體的可能性。在麥克斯韋之後，蘇聯女數學家柯瓦列夫斯卡婭 (Sofia Kovalevskaya) 等人對土星光環為液體的可能性作了進一步研究，同樣作出了排除的結論。

7. 洛希研究並提出洛希極限的時間比麥克斯韋研究土星光環更早，不過卻並未作出與麥克斯韋相似的發現，因為他所猜測的土星光環是液態衛星在土星的引力潮汐作用下解體形成的。

8. 土星光環被伽利略發現之後，在長達三個半世紀的時間裡曾經是太陽系唯一的行星光環，不過自 1977 年之後，天文學家們先後在天王星、木星及海王星周圍也發現了光環，從而使得行星光環成了太陽系氣態巨行星「人手一套」的東西，不過跟土星光環相比，其他那些光環都黯淡得多，所含物質的總量也少了好幾個數量級。

9. 當然，跟木衛三的情形相似，由於水星的密度——如我們在該行星系列第一篇《給天文學家出難題的行星——水星》中介紹過的——超高，以質量而論要比土衛六大得多。

10. 對那些天體的發現感興趣的讀者可參閱拙作《那顆星星不在星圖上：尋找太陽系的疆界》。

本文為盧昌海先生最新力作，《賽先生》獲授權首發。欲讀作者更多文章，可查看盧昌海個人主頁www.changhai.org。

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