智慧之窗: 比水輕的土星

2013年7月 

文/黃小石

要是有個大大的海洋,可將所有行星丟進去,那麼浮到水面上的,相信只有土星和它的光環──太陽系中惟一比水還輕的行星。

美麗土星

土星成分主要是氫氣,約佔96%,與木星相仿,故稱「類木行星」。我們知道,氣體體積與壓力成反比:壓力小一倍,體積則大一倍。試想:若除去一些氣體,木星質量便減少,重力亦該相對減少;重力小了,內部壓力也小了,氣體便膨脹、恢復原體積。這就是為何土星質量只有木星的30%,但其半徑卻沒小太多的原因;結果形成行星中密度最低的星體,與許多木材相似。

土星是肉眼可見的行星之一,也許略呈黃色而得名。土星與太陽的距離,比地球遠9.5倍,繞日一周需29.5年;大致每年「住鎮」中國28宿中一宿,故稱「鎮星」,也稱「填星」(填滿28宿)。

土星赤道半徑約60,000公里,兩極半徑只54,000公里,故略呈扁平──因為氣體巨星自轉速率很高,每圈只用10.5小時,又因「離心力」效應,轉速最高的赤道一帶便鼓出來;加上土星重力比木星小,所以土星橢圓率約10%。

細薄光環

土星的名氣,出於美麗的光環,它出現在其赤道上空7,000公里至130,000公里之間,主要成分是碎冰,再加石塊、灰塵等,所以很亮;雖有二、三十萬公里寬,但可能只有幾百公尺厚。如果土星和籃球一樣大,它的光環則只有萬分之一公分厚,比一張普通打印紙還薄100倍!至於為何如此薄,科學家到目前仍不確定,但大多認為,這出於一個被土星的重力場撕碎的冰質月亮;因光環結構不穩定,估計最早是幾百萬年前才產生。

當伽利略1610年,首次用他的小望遠鏡看到土星光環時,覺得是顆長了兩隻耳朵的星星,因望遠鏡的解析度不足,看不出這是個光環,當然更無從得知其細薄。直到1655年,荷蘭科學家惠更斯,用改良的望遠鏡才看清這美麗光環,還以為那是一整塊空心圈。200年後,馬克斯.威爾說明,這光環不是一個整塊物質,而是由碎塊組成,它們離土星的距離不同,亦以不同的速度繞土星轉。這些碎塊的成分主要是冰塊,所以才如此耀眼;木星、天王星、海王星雖然也有光環,但是石塊沙塵組成,所以遠不及土星耀眼,也不易看見。

大月亮「泰坦」

其實,科學家感興趣的不只是亮麗光環,還有它的大月亮「泰坦(Titan)」──土星從裏往外數第6顆衛星,又稱「土衛六」。土星和木星一樣,有許多月亮,有名字的就60個。早在1655年,惠更斯已觀察到「泰坦」,直徑5,150公里,是太陽系第二大月亮,僅次於木衛三「甘納米」。

「泰坦」是太陽系中惟一有顯著大氣層的月亮,且與地球一樣,大氣主要成分是氮(98%),剩下的是甲烷及氰化物。經卡西尼號太空儀(Cassini Probe)偵測,「泰坦」表面有大量液態烴、天然氣,猜想應存在一種稱為Tholin(被認為可能是蛋白質前身)的有機沉澱物,再加上「泰坦」的成分一半是沙石、一半是冰,所以科學家認為那裏大有生物存在的可能。

然而,可以解釋自然現象如何發生,並不代表了解這個現象為何發生。聖經《約伯記》三十八章31-32節記述:「你能繫住昴星的結麼、能解開參星的帶麼?你能按時領出12宮麼、能引導北斗和隨他的眾星麼?」