天王星的光環(huán)系統(tǒng)（二）

□ 劉 炎

天王星的光環(huán)系統(tǒng)（二）

□ 劉 炎

圖1 環(huán)帶在天王星周圍分布的示意圖，圖中還畫上了若干有關(guān)的天王星衛(wèi)星的軌道。

前文介紹，迄今為止已發(fā)現(xiàn)的天王星環(huán)共有13個，從內(nèi)至外，它們依次是：1986U2R/ζ、6、5、4、α、β、η、γ、δ、 λ、ε、ν和μ。圖1是這些光環(huán)分布的示意圖。

天王星環(huán)的主要特征

天王星環(huán)的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不如土星環(huán)那樣的復(fù)雜，根據(jù)空間分布狀態(tài)和物理特性的不同，這13個環(huán)帶可以被分成三組：中間九個狹窄的環(huán)帶（6、5、4、α、β、η、γ、δ、ε）組成主環(huán)，最外側(cè)的兩個（μ、ν）組成外環(huán)系統(tǒng)，還有兩個則被稱為塵埃環(huán)（1986U2R/ζ和1986U1R/λ）。

天王星的環(huán)帶主要是由十分暗黑的物質(zhì)顆粒和塵埃微粒組成；而不同環(huán)帶中的物質(zhì)顆粒，又有著相當(dāng)?shù)牟顒e，例如塵埃環(huán)中所含的物質(zhì)基本上是更微小的塵埃，它們的反照率一般不超過5%～6%，從而亮度都要比土星環(huán)的低得多。由于所含塵埃物質(zhì)的特殊物理性質(zhì)，有些環(huán)帶在不同方向還顯示出不同的亮度，某些環(huán)帶在前向散射的情況下，甚至?xí)惓５卦隽痢?/p>

【表2】中列出了各個環(huán)帶的名稱、半徑和寬度等主要參數(shù)，以環(huán)帶的半徑由小到大排序。有些研究者把其中的某些環(huán)帶分得更細(xì)，例如在WIKI網(wǎng)上列出的就是18個環(huán)帶，其實(shí)它們與IAU的系列也是相符的。為了易于看清和比對，現(xiàn)把兩種系列都放在一起，表中的左側(cè)是IAU的，而右側(cè)則是WIKI的。

主環(huán)系統(tǒng)

旅行者2號飛船在1986年1月下旬抵達(dá)天王星，在飛掠的過程中拍攝到了九個光環(huán)的圖像，從而直接觀測確證了天王星環(huán)的存在。

圖2是旅行者2號拍攝到的主環(huán)系統(tǒng)局部的照片。（6、5、4和α、β、η、γ、δ、ε）這九個環(huán)帶都在天王星環(huán)的中間部分，在距離天王星的中心約4萬至5萬多千米的范圍內(nèi)。相對來說，主環(huán)的環(huán)帶也是天王星光環(huán)中最亮的幾個。

其中環(huán)帶（α、β、γ、δ和ε），就是埃利奧特他們在1977年3月10日作天王星掩星觀測時最早發(fā)現(xiàn)的那五個，其余4個則是在此后（1977年）再作分析時檢測出的。

表2 天王星環(huán)帶主要參數(shù)列表，IAU和WIKI的比對表

主環(huán)系統(tǒng)的環(huán)帶，除了ε環(huán)之外，都是一些細(xì)小的窄環(huán)，其中稍寬的α環(huán)、β環(huán)和δ環(huán)的寬度也都只有10千米左右，而還有的五個環(huán)，其寬度甚至不到5千米。

為了更明顯而直觀地看出這些環(huán)的分布，NASA制作并公布了一張經(jīng)過反差加強(qiáng)和偽彩處理的主環(huán)系統(tǒng)圖像（圖3）。

圖2 天王星的主環(huán)系統(tǒng)：從外到內(nèi)分別是ε環(huán)、δ環(huán)，γ環(huán)、η環(huán)、β環(huán)和α環(huán)，以及勉強(qiáng)可見的4、5和6環(huán)。（原圖由旅行者2號在1986年1月21日拍攝，其時距天王星約410萬千米，照片分辨率約36千米）

圖3 天王星主環(huán)系統(tǒng)的假色圖，圖中豎向顯著的條紋就是各個環(huán)帶，從左向右依次是ε環(huán)、δ環(huán)，γ環(huán)、η環(huán)、β環(huán)和α環(huán)，以及4、5和6環(huán)。 （原圖由旅行者2號在1986年1月21日拍攝，其時距天王星417萬千米，圖像的分辨率約40千米）

經(jīng)分析研究，主環(huán)環(huán)帶中的物質(zhì)含有較多尺度為幾厘米至1米量級的較大顆粒，因而光學(xué)厚度-反射系數(shù)也稍大一些，在后向散射（反射）的情況下，會顯得更明亮一些。

ε環(huán)

圖3和圖2中左側(cè)最明亮的環(huán)帶是ε環(huán)，它不僅是主環(huán)系中，也是天王星環(huán)系中最明亮、最顯著的。下面的圖4是ε環(huán)的特寫鏡頭。

ε環(huán)的寬度約有100千米，其間還有徑向的亮度明暗分布。環(huán)帶外側(cè)約40千米的范圍是明亮的區(qū)域，最內(nèi)側(cè)約15千米的范圍也較亮，而兩者的中間則是一個較暗的帶區(qū)。

前面圖2中的Cordelia（1986U7）和Ophelia（1986U8）是旅行者2號發(fā)現(xiàn)的兩顆新的衛(wèi)星，當(dāng)時的臨時編號為1986U7和1986U8，后來被正式命名為天衛(wèi)六（Cordelia）和天衛(wèi)七（Ophelia），其直徑分別是約20千米和30千米。實(shí)際上它們是ε環(huán)的“牧羊犬衛(wèi)星”。

所謂“牧羊犬衛(wèi)星”，是軌道位于行星環(huán)的某個環(huán)縫或環(huán)帶邊緣附近、能約束環(huán)縫或環(huán)帶內(nèi)的物質(zhì)、并維持它們分布形態(tài)的小衛(wèi)星。因其作用類似于管理羊群的牧羊犬而得名。由于引力的作用，靠近衛(wèi)星的物質(zhì)不是被吸引進(jìn)入環(huán)內(nèi)，就是被驅(qū)離這個系統(tǒng)，或是被吸積而進(jìn)入衛(wèi)星自身之內(nèi)，從而使環(huán)帶的邊緣保持著明銳的邊界。一個環(huán)帶的兩側(cè)往往會各有一個，從而組成一對“牧羊犬衛(wèi)星”。在土星的光環(huán)中就有著多對的牧羊犬衛(wèi)星。

圖4 天王星的ε環(huán)，照片清楚地顯示出ε環(huán)亮度的徑向變化。（原圖由旅行者2號在1986年1月23日拍攝，其時距天王星112萬千米，圖像的分辨率約10千米）

天衛(wèi)六和天衛(wèi)七也就是這樣的一對“守衛(wèi)”在ε環(huán)兩側(cè)、約束著ε環(huán)的形態(tài)及其穩(wěn)定性的“牧羊犬衛(wèi)星”。

δ環(huán)的外邊緣較為明銳，一般認(rèn)為可能也是受到了天衛(wèi)六的23∶22的引力共振影響。

這兩個環(huán)帶衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)是我們對天王星環(huán)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的一個重大進(jìn)展，然而對于天王星的衛(wèi)星，迄今所發(fā)現(xiàn)的“牧羊犬衛(wèi)星”還只僅此一對。

圖5 旅行者2號發(fā)現(xiàn)的兩個新衛(wèi)星天衛(wèi)六和天衛(wèi)七，它們是ε環(huán)的一對“牧羊犬衛(wèi)星”。

塵埃環(huán)

旅行者2號飛船在1986年飛掠天王星時還探測到了兩個新的環(huán)帶：ζ環(huán)和λ環(huán)。

1986U2R/ζ環(huán)

1986年1月24日的17∶00（UT）左右，旅行者2號飛近了天王星，而且貼近了天王星的環(huán)平面，拍攝到了6環(huán)之內(nèi)最內(nèi)層區(qū)域的照片（圖6），發(fā)現(xiàn)了一個新的環(huán)帶，當(dāng)時就給了一個臨時性的編號：1986U2R（后來被命名為ζ環(huán)）。這是天王星的一個內(nèi)環(huán)，是一個極其暗弱的環(huán)帶，在此前未曾、在此后也再未被旅行者2號拍攝到。

直到2003～2004年期間，此環(huán)才被地面上威力最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡再次觀測到。2003年，位于太平洋夏威夷島上的10米口徑的凱克望遠(yuǎn)鏡也在天王星的6環(huán)之內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個暗弱的環(huán)帶，把它稱作ζ環(huán)。經(jīng)分析研究，這個ζ環(huán)的位置與1986U2R的位置相近，但又略有不同。ζ環(huán)從離天王星中心41350千米一直延伸到37850千米處，然后逐漸暗淡更延伸到32600千米、甚至27000千米處（該處離天王星大氣層的云頂已只有約12000千米）。ζ環(huán)向內(nèi)側(cè)延伸的部分就是【表2】中右側(cè)【W(wǎng)IKI】表中的ζc和ζcc環(huán)。后來IAU正式定名時就把這些環(huán)帶都統(tǒng)稱為“ζ/(1986U2R)”環(huán)。

2007年，ζ環(huán)再次被凱克望遠(yuǎn)鏡觀測到，此時ζ環(huán)竟顯得特別明亮，以至超過其他所有環(huán)帶亮度的總和。此時，天王星光環(huán)的環(huán)平面正對向我們地球的方向，正處于所謂的“環(huán)平面相交事件（ring-plane crossing event）”的時期。

1986U2R/ζ環(huán)在不同時期的不同亮度及形態(tài)，可能主要是由于環(huán)帶所處的相對位形不同而引起的。天王星環(huán)與土星環(huán)一樣，自身并不發(fā)光，是依靠散射或反射太陽的光線才發(fā)光的，因此在太陽、環(huán)平面和觀測者三者相互位形不同的情況下，環(huán)面或環(huán)帶所呈現(xiàn)的亮度也是不一樣的。大致來說，此種位形光線可分為三類，一類是后向散射（反射），一類是前向散射，還有一類是側(cè)向散射。ζ環(huán)在上述1986年1月24日旅行者2號飛船飛掠時以及凱克望遠(yuǎn)鏡2003年和2007年觀測時，太陽、環(huán)平面和觀測者三者的關(guān)系正是處在各種不同的位形上。

圖6 天王星的內(nèi)環(huán)區(qū)域。右上角是天王星圓面的邊緣，中下部的一條亮帶是6環(huán)，其間就是新發(fā)現(xiàn)的1986U2R（ζ）環(huán)。該環(huán)帶在6環(huán)之內(nèi)約1500千米，寬度為3000千米左右，內(nèi)側(cè)距天王星的云頂約11000千米。（原圖由旅行者2號在1986年1月24日的17:00（UT）左右拍攝，其時距天王星11.7萬千米，圖像的分辨率約16千米）。

根據(jù)不同的位形上環(huán)帶所呈現(xiàn)的亮度分布，我們又可以分析研究環(huán)帶中的物質(zhì)分布和物理狀態(tài)。而對于1986U2R/ζ環(huán)亮度變化情況的分析表明，此帶的物質(zhì)基本上是由極其微小的、甚至是只有微米尺度的微塵組成，因而被稱為是塵埃帶。

1986U1R/λ環(huán)

1986年1月24日，旅行者2號在越過6環(huán)之內(nèi)的區(qū)域后，更進(jìn)入了天王星背向太陽那一面的陰影之中，此時，太陽的光線通過天王星環(huán)的前向散射到達(dá)旅行者2號，原先許多未曾觀測到的、極其暗弱的環(huán)帶一下子都變得明亮起來（圖7），這些環(huán)帶顯示的形態(tài)就好像是一張密紋唱片似的，以至與土星的光環(huán)系統(tǒng)都有點(diǎn)相像了。

此時在ε環(huán)的內(nèi)側(cè)突然出現(xiàn)了一個新的環(huán)帶，其亮度甚至超過了ε環(huán)，研究者當(dāng)時就用一個臨時的編號標(biāo)記為1986U1R，后來被正式命名為λ環(huán)。

圖7 上部那條最亮的亮帶是新發(fā)現(xiàn)的λ環(huán)，而外側(cè)那條孤立的環(huán)帶則是先前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的ε環(huán)。 （1986年1月24日的21:30（UT）左右拍攝，其時旅行者2號距天王星23.6萬千米，圖像的分辨率約33千米）。

圖8 左側(cè)是上圖的一部分，是前向散射光的圖像；右側(cè)則是圖2中的一部分，是1986年1月21日時旅行者2號飛船在天王星向陽面一側(cè)時拍攝的，是一種后向散射光的圖像。左圖和右圖比對，即可看出1986U1R（λ環(huán)）的位置。兩圖中ε環(huán)的錯位，是由于兩張照片拍攝時旅行者2號的空間位置不一（偏心）所造成的。

為了分析和識別這些環(huán)帶，NASA的科學(xué)家們把新的照片與先前拍攝到的照片進(jìn)行了比對（圖8）。圖中上部那條最亮的細(xì)帶就是新發(fā)現(xiàn)的環(huán)，此環(huán)在ε環(huán)之內(nèi)，而在“牧羊犬衛(wèi)星” 天衛(wèi)六（Cordelia）的外側(cè)，其寬度也只有1～2千米。

在圖2中，λ環(huán)應(yīng)該就緊挨在ε環(huán)的內(nèi)側(cè)，原是一個極其暗弱的環(huán)帶，一般的情況下幾乎觀測不到，所以圖中也未有顯現(xiàn)。

λ環(huán)在不同觀測位形下所顯示的顯著的亮度差別的特性，與ζ環(huán)亮度變化情況十分相似，它的物質(zhì)組成也基本上是微米量級尺度的微塵，因而也是一個典型的塵埃環(huán)。

由圖8還可以看到，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的那些環(huán)帶之間，還存在著大量更暗、更薄的塵埃環(huán)，而其中有些環(huán)帶也許還只是多個暫時存在的環(huán)弧。對這些環(huán)帶，現(xiàn)今都還未予以命名。

外環(huán)

在2003～2005年期間，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡又探測到一對早先未知的暗環(huán)，一開始的臨時編號為R/2003U1和R/2003U2，后來被正式命名為μ環(huán)和ν環(huán)。

μ環(huán)和ν環(huán)現(xiàn)被稱為天王星的外環(huán)系統(tǒng)，最外面的是μ環(huán)，其直徑是里面那個較亮的η環(huán)的兩倍。二者的寬度分別為17000千米和3800千米。圖9是哈勃望遠(yuǎn)鏡2005年拍攝到的圖像。

在探測到μ環(huán)和ν環(huán)的同時，哈勃望遠(yuǎn)鏡還新發(fā)現(xiàn)了天王星的兩顆小衛(wèi)星天衛(wèi)二十六（Mab）和天衛(wèi)二十七（Cupid）。天衛(wèi)二十六的軌道幾乎就正在μ環(huán)亮度分布的最亮處，而且很可能就是μ環(huán)中的物質(zhì)來源。ν環(huán)的位置在天衛(wèi)十二（Portia）和天衛(wèi)十三（Rosalind）之間，但在環(huán)帶的內(nèi)部則并不包含任何衛(wèi)星。對于這一位形上μ環(huán)和ν環(huán)所顯示的如此高的亮度，還表明這兩個環(huán)帶中也應(yīng)包含著大量微米尺度的塵埃顆粒。

圖10是哈勃望遠(yuǎn)鏡探測發(fā)現(xiàn)的這兩個環(huán)帶和兩個小衛(wèi)星相對位置分布的示意圖。

天王星外環(huán)系統(tǒng)的這一狀態(tài)，與土星光環(huán)的G環(huán)及E環(huán)的情況十分相似，因?yàn)橥列荅環(huán)也是極其寬闊，而且其塵埃物質(zhì)也來源于環(huán)帶中的一顆衛(wèi)星——土衛(wèi)二（Enceladus）。

此后對1986年旅行者2號飛船拍攝到的光環(huán)前向散射光的照片重新進(jìn)行分析，也檢測出了μ環(huán)和ν環(huán)的清晰圖像。

圖9 哈勃望遠(yuǎn)鏡2005年拍攝到的μ環(huán)（R / 2003 U1）和ν環(huán)（R / 2003U2）

后來，位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡也觀測到了天王星的μ環(huán)和ν環(huán)。但在近紅外2.2μm波段上凱克望遠(yuǎn)鏡只檢測到了μ環(huán)，而未觀測到ν環(huán)；這意味著μ環(huán)內(nèi)的物質(zhì)顆粒非常小，僅只有亞微米的量級，而如此微小的顆粒，可能是由水冰組成的。

圖10 哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的兩個新的環(huán)帶——μ環(huán)（R / 2003 U1）和ν環(huán)（R / 2003U2）以及兩個新的衛(wèi)星——天衛(wèi)二十六（Mab）和天衛(wèi)二十七（Cupid）。

圖11 凱克天文臺于2006年4月公布的天王星外環(huán)的照片，最外面的μ環(huán)呈藍(lán)色，而里面的ν環(huán)呈紅色。 （由凱克望遠(yuǎn)鏡拍攝）

圖11是凱克天文臺在2006年4月公布的天王星光環(huán)系統(tǒng)的一幅精美的新圖像，圖中中間的ν環(huán)偏紅，而最外面的μ環(huán)則偏藍(lán)。μ環(huán)顏色的偏藍(lán)也進(jìn)一步意味著其物質(zhì)成分中含有水冰。

對于天王星環(huán)觀測研究的主要內(nèi)容，包括環(huán)帶中物質(zhì)粒子的來源和這些環(huán)帶的年齡或壽命等問題。

外環(huán)帶和塵埃帶中的粒子小至只有微米的量級，如此小尺度的微粒在環(huán)帶中的壽命一般只有100～1000年，它們必須要能得到源源不斷的補(bǔ)充，其來源應(yīng)該是由較大尺度物質(zhì)顆粒的碰撞產(chǎn)生；而那些較大尺度物質(zhì)顆粒，則可能來自于其他有關(guān)的環(huán)帶、小衛(wèi)星，甚至是天王星系統(tǒng)外的流星體。

主帶各環(huán)中的粒子較大，但尺度一般也只有幾厘米至一米量級。但主環(huán)的各個環(huán)帶都很窄，除了ε環(huán)之外，其他都不到10千米。根據(jù)環(huán)帶穩(wěn)定性的理論研究，物質(zhì)粒子在這類環(huán)帶中的壽命也不能超過100萬年。即使是較寬的ε環(huán)（約100千米），其壽命也不會超過6億年。

因此，天王星環(huán)的年齡要比天王星小得多，應(yīng)該是在天王星形成之后才出現(xiàn)的。現(xiàn)一般認(rèn)為，天王星環(huán)可能是天王星演化史上發(fā)生的一次高速的撞擊或是潮汐力撕碎了衛(wèi)星一部分而形成的碎片殘余。

圖12 NASA公布的天王星和它的光環(huán)的合成照片。2011年哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝，其時天王星離地球40億千米，而且它的白晝面正好對向地球。

天王星的光環(huán)雖然不及土星光環(huán)那樣的壯麗，但也是太陽系的奇跡之一。天王星環(huán)帶中還有許許多多重大的疑謎等待著人類去探索、去發(fā)現(xiàn)！土星上有光環(huán)，天王星上有光環(huán)，那么其他行星上是否也會有光環(huán)呢？

（責(zé)任編輯 張長喜）