1610年，当伽利略第一次用自制的望远镜观察土星时，他看到了一颗边界模糊的行星。当时，他把这个模糊的边界解释为土星的两个大卫星，一边一个。但两年后，“卫星”消失了，两年后，它们又跑出来了。
伽利略非常困惑。他能给出的最好解释是，土星似乎有“翅膀”或“手臂”，有时张开，有时收紧。今天，我们知道他看到的实际上是土星环。
2004年，美国卡西尼探测器环绕土星飞行，从各个角度拍摄了土星环，从而让我们了解了更多细节。
大环套着小环。
首先，让我们看看土星环的全景。土星环极薄，厚度只有10米；而且面积极广，直径差不多有35万公里。这是天文学家在宇宙中发现的最理想的二维平面。
但是这个环足够亮，我们可以发现，也足够密集，可以挡住星光。要达到这种效果，意味着组成环的“粒子”的平均大小只有一个高尔夫球到一个冰箱的大小，而且必须足够密集，以至于“粒子”之间的距离不超过一个肩膀。这些“颗粒”99.9%是由冰块组成的。他们总是互相冲突。碰撞使它们运动的差异消失，相邻的“粒子”以几乎相同的方向和速度在轨道上运动。
近距离看，土星环被分成很多大环。官方说法，有七大环。按照与土星的距离，分别是D、C、B、A、F、G、E环。但这只是一种人为的区分。卡西尼号发回的照片显示，每个大环中分布着数百个甚至数千个小环，整个土星环看起来就像是刻有密密麻麻线条的老式记录。我们观察得越仔细，这个环看起来就越复杂。
这些年轮的成因很复杂。要知道，其实土星环不仅是由不比冰箱大的“颗粒”组成的，还有直径几百到几公里的微型卫星，甚至还有直径几千到几十公里的大型卫星。有的环是微小卫星运动时扫过轨道上所有“粒子”造成的；另一些是由于大卫星的引力将周围的环形“粒子”吸引到自己这边造成的.
土星环也有自己的大气层，独立于土星大气层之外。其大气的主要成分是氧和氢，是环上的冰在太阳紫外线照射下分解产生的。当然，这样做出来的大气层很薄，如果在整个环上均匀铺开，大概还不到一个原子的厚度。
戒指上的神秘图案
土星环上也有类似螺旋桨结构的图案。它们有一对明亮的叶片，时隐时现。到目前为止，在A环发现的最大“螺旋桨”长约110公里。
“螺旋桨”也是由埋在土星环中的一颗微型卫星引起的。这些微型卫星一方面“清洗”了自己轨道上的“颗粒”，但另一方面又没有足够强大的引力来清洗它们，所以留下了痕迹：在它的“叶片”上，由于密集的冰冷“颗粒”，在阳光照射下显得特别明亮。根据这一特征，科学家可以追踪这些微卫星的踪迹。他们发现这些卫星是不确定的，改变它们的轨道是很常见的。他们推测这可能与一些大“粒子”的碰撞有关。
沿着环的径向，土星探测器还观察到一些神秘的径向条纹，就像滚动的车轮上的辐条。这些条纹的出现似乎与土星上的季节变化有关(土星一年相当于29.7个地球年)。
这些放射状条纹是如何形成的还不清楚。有一种推测认为，由于静电排斥，土星环上方悬浮着一层尘埃。在土星磁场的作用下，它们与土星同步旋转，那里光芒四射，其他地方一片黑暗。
最令人惊讶的发现来自B环的外缘。在这里，科学家们意外地发现高达3.5公里的山峰从土星环的平面上生长出来，就像雨滴溅在水面上一样。科学家们现在已经弄清楚这是由距离环面68000公里的一颗卫星造成的。卫星的引力将环中的物质“拉”出来，形成尖峰。当然，这些山峰并不是实心的山峰，而只是尘埃云。
土星环最大的谜团
当我们欣赏光环上的神秘图案时，别忘了土星光环最大的谜团就是它本身：这么漂亮的光环是怎么来的？
虽然土星环面积巨大，但其包含的总质量仅相当于一颗直径400公里的卫星。所以过去有一种观点认为，一颗直径400公里左右的卫星在太空中迷失了方向，距离土星太近。结果被土星巨大的引力撕成碎片，形成了土星环。
但这里有一个问题：这些环几乎是由90~95%的冰构成的，而原始太阳系被认为是由同样数量的岩石和冰构成的；那么，如果土星环是被卫星解体的，那么岩石去了哪里？
因此一些科学家尝试另一种解释，认为土星环源于一颗巨大彗星和土星卫星的碰撞。彗星有很高比例的冰，这可以充分解释土星环的来源。
但也有科学家指出，海王星和天王星更接近彗星起源，木星引力更大。彗星与它们相撞的几率几乎是土星的10倍，而土星似乎是最不可能与这样的彗星相撞的。
2010年12月，一名美国女天文学家通过计算机模拟研究了45亿年前土星从原始气体和尘埃盘中诞生后的情况。在之前的一项研究中，她已经证明了卫星将在气体巨星土星周围诞生，其中一些卫星稍后将在行星引力的影响下坠毁。这种诞生和碰撞的现象直到气体和尘埃盘中的物质足够稀薄时才停止。
她计算了如果土星最大的卫星，直径约5000公里的土卫六3354向内迁移会发生什么。计算表明，这颗卫星的大部分冰在土星巨大引潮力的作用下先融化，然后凝结成冰，均匀包裹整个卫星。当卫星以螺旋形状落入土星时，这个冰壳会剥离卫星的岩石核心，形成几乎由纯冰组成的土星环。
因为土星环是这样一颗大质量卫星毁灭后产生的，一开始，环中的物质密度比现在高几个数量级，但随着一些新的冰冷的微型卫星从环中“分析”出来，并通过重力分布在土星环的内缘，后来土星环中的物质密度大大降低。
根据这一计算，她推测土星环可能是早期一颗非常大的土星卫星坠落到土星后形成的。当然，这个撞击过程也可能发生多次：可能土星原本就有很多大卫星，因为不断的撞击，死亡卫星抛出的冰“外衣”形成了土星的光环。
这个新理论的吸引力在于，它不仅可以解释土星环的形成，还可以解释为什么土星环的内缘会有这么多小质量的冰冷卫星，这也是土星长期以来的一个谜团。另一项最近的研究似乎支持土星环是从密度更大的环演化而来的结论。
到2023年，当卡西尼号完成土星环的质量测量时，我们或许可以检验这个假设是否正确。
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