1610 年伽利略将他的望远镜对准了太阳系第六颗行星——土星，从那时起，土星的行星环便成为一个未解之谜。随着科技的进步，土星环之谜被逐渐解开。19 世纪，麦克斯韦用数学方程式预言了土星环的物质构成。一个世纪后旅行者号空间探测器证实了他的预言。如今，卡西尼号土星探测器（
Cassini
craft）将进一步揭开土星环的神秘面纱。今年 9 月，它将潜入土星和土星环之间进行最后一次探测。之后，卡西尼号将正式结束自己的使命。
作者 Bibiana García
翻译 阿金
审校 唐诗语 薛钰
编辑 金庄维
初期观测
1610 年七月，伽利略将自制的望远镜对准了土星。在茫茫星空中，这是继木星之后第二颗成功吸引他的行星。令他惊讶的是，这颗漫步在广袤星空中的行星还有一对像“把手”或“手臂”的东西。但由于其望远镜精度有限，伽利略并没能看清楚环绕着土星的究竟是什么。因此，这颗行星的迷之外貌成了未来天文学家需要解决的一大难题。
1655 年荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）发现土星周围类似于“把手”的东西其实是一条环带。利用直径 5 厘米、长度达 3 米的望远镜，惠更斯观测到的天体被放大了 50 倍。得益于此，他观测到土星是被一个环带系统围绕的。
意大利天文学家乔凡尼·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）则进行了更仔细的观测。1675 年，他发现土星的环带系统中间还有环缝，它把土星环分成明显的两个环带区，一个更靠内，一个更靠外。今天，这个大约 5000 千米宽、几乎空无一物的环缝，便被称为卡西尼环缝（the Cassini Division）。
土星环由什么构成？
十七世纪开始便一直都有关于土星环的理论描述，但是直到十九世纪中叶都没有人研究过其物质构成。英国数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）力图证明土星环不是单一、连续的整体。他在数学上证明了土星的引力能够轻易撕碎环绕土星的薄片状物体，因此，他预言土星环由漂浮在土星周围不计其数的颗粒组成。而我们从距离如此遥远的地球上看过去的时候，它们就好像是一条完整的环带。
现在我们都知道麦克斯韦的预言是正确的，二十世纪八十年代初旅行者 1 号（
Voyager
1
）和 2 号（
Voyager
2
）分别发来的观测照片已经证实了这一点。巧合的是，正是得益于麦克斯韦最重要的发现——电磁波，我们才能将拍到的照片从土星回传地球。
四次造访
1979 年 9 月 1 日 NASA 的探测器先驱者 11 号（
Pioneer 11
）在飞掠土星的时候第一次拍摄到了土星的近距离照片。这些影像和我们在地球上的观测吻合：土星环分为 A、B、C、D 四个环带区，而卡西尼环缝位于 A 和 B 之间。
土星环（Credit:
Cassini-Huygens/NASA
）
另外，这些照片还让我们看清了一些更为黯淡、远距离难以看清的区域，主要是最外层的环带：E，F 和 G。在掠过土星这颗气态行星之后，先驱者 11 号继续前进，朝着太阳系外飞去。
1980 年年底土星迎来了旅行者 1 号，1981 年又迎来了旅行者 2 号。这次我们了解到了土星环的物质构成（主要是无数的冰颗粒）以及这个环带系统的新结构。同时，两个探测器还收集了土星大气和它最大的卫星——土卫六（Titan）的数据（土星拥有超过 60 颗卫星）。
这次造访之后又过了 23 年，NASA、欧洲空间局（the European SpaceAgency，简称ESA）和意大利空间局（the Italian Space Agency, 简称ASI）决定共同合作“卡西尼-惠更斯”计划（
Cassini-Huygens
mission）。卡西尼号探测器（
Cassini
spacecraft）将会环绕土星飞行，而惠更斯号探测器（
Huygens
spacecraft）则会脱离卡西尼号，飞往土卫六并在其表面着陆。1997 年 10 月 15 日，卡西尼-惠更斯号土星探测器从卡纳维拉尔角航天基地成功发射升空，历经七年旅途，跨越数十亿公里，于 2004 年 7 月 1 日进入环土星轨道。
土星环——冰冻卫星的残骸
直到 2015 年，那些关于土星环形成的理论都无法解释为什么其中超过90%的微小颗粒都是冰。科罗拉多大学的行星学家 Robin Canup 在权威科学杂志《自然》上发表了
她
的新理论。为了证明她的假设，Canup 做了详细的计算机模拟，旨在解释颗粒的冻结成分：这些颗粒大小不一，但最大也只有冰雹那么大。
根据她的理论，在 46 亿年前太阳系诞生之初，土星的一颗卫星掉向土星，其残骸变成了土星环。这颗卫星曾是一颗中心为岩核的巨大冰冻卫星。在与土星碰撞的过程中，巨大的碎片四处飞散，形成了土星的环带系统。然而，这个环带系统和我们今天观察到的并不相同。在数十亿年的时间里，这些巨大的碎片之间发生了无数次碰撞，最终才形成了我们今天看到的由无数小颗粒组成的巨大土星环。
卡西尼号——环绕土星 13 年
从 2004 年 7 月起，卡西尼号就一直环绕土星飞行，不停地传回土星和土星环的观测数据。这也是第一艘在土卫六（Titan）和土卫二（Enceladus）上寻找生命痕迹的太空飞船。在这十三年间，它帮助我们更好地了解了这颗太阳系第二大行星——也许还是最与众不同的一颗（这里无意冒犯我们的地球母亲）。
2017 年 9 月 15 日，卡西尼号最终将坠入土星大气层。（Credit:
NASA
）
今年 4 月 26 日，卡西尼号成为了第一艘进入土星和土星环之间的飞船。在 9 月 15 日最终坠毁之前它还有最后一项任务要完成，就是对土星主环带的冰颗粒和土星大气最外层进行首次探测分析。至此，人类已为揭开土星环的神秘面纱做出了400多年的不懈努力。
