土星

引言

在太阳系的行星中，土星不是最大的，也不是最小的；不是最近的，也不是最远的；不是最热的，也不是最冷的。土星跟地球几乎没有相似之处，它甚至不是唯一拥有光环的行星。然而，土星仍然是太阳系的门面。可以说，它是迄今为止太阳系中最独特、最令人惊叹的美丽天体。

19世纪高产的天文作家理查德·A. 普罗克特（Richard A. Proctor），于1865年首次出版了其著作《土星及其系统》（Saturn and Its System）。就耗费整本书来描写土星，他觉得有必要对此做出解释并表达歉意：

乍一看，作为单独的一颗行星，无论以它为中心的体系是多么有趣、多么精巧，作为书中一个章节的主题来讲述似乎都应该足够了，而不是像这本书一样，整本书的主题都是它——说到底，土星也不过是目前太阳系里一颗中等大小的行星。

为了澄清这一点，普罗克特指出，他所描写的关于土星的大部分内容，仅在细节上稍加调整后也适用于太阳系的其他行星。

现在看来，普罗克特写的东西虽然离奇但却有趣。在接下来一个世纪人类的不懈努力之下，包括投入地球上一半的望远镜观测能力进行的观测，实施木星的飞越任务——先驱者11号（Pioneer 11，1979年）、旅行者1号（Voyagers 1，1980年）和旅行者2号（Voyagers 2，1981年），以及人造卫星任务——卡西尼号（Cassini，2004—2017年在环绕土星轨道运行），我们现在对土星、土星环和其卫星系统的了解，甚至比普罗克特那个时代对地球的了解还要多。有一点他说的没错，我们所学到的很多东西，在细节上适当调整后也能用于其他行星。尤其适用的是木星——它与土星属同类行星，比土星更靠近太阳；以及土星外侧的天王星和海王星——这是两颗有着光环和冰冷卫星的巨行星。普罗克特通过对土星环的观测，想象到了拉普拉斯星云假说，即行星本身是由围绕太阳的物质环演化形成的。但事实上，我们现在已经知道，土星的这些环是几个小卫星解体后留下的碎片。经过适当调整，太阳系的星云起源理论已经在很大程度上得到了验证。土星与木星、天王星、海王星等一起，在太阳系早期的演化过程中扮演了重要的角色。这些气态巨行星或是向内迁移（例如木星）、或是向外迁移（例如土星和其他两颗行星），大量的物质迁移形成了暴风雪般的景象。冥古宙时期（太阳和行星诞生后的前7亿年），土星冲击了地球和月球，在此之后，地球和月球进入了相对稳定的轨道运行。

我们现在对土星的大气也有了很多了解，包括它巨大的风暴和明亮的极光，还有它的内部（作为气态行星，它没有通常意义上的“表面”）。我们已经开始探索它那些迷人的卫星，其中一个是土卫六，这是第一个发现有大气层存在的卫星；另一个是土卫二，在它的冰层外壳下面有着深深的海洋，被认为是在太阳系内除地球之外最有可能找到生命的地方之一。但是，土星宏伟的光环系统才是它的标志和最卓越的特征，即使在一个小型望远镜里，它看起来也非常令人惊叹。除了月球上的环形山和陨石坑之外，透过望远镜一眼望去，没有什么能比土星的光环更令人叹为观止、深感敬畏。远看，土星的光环非常顺滑和完美，就像是在机床上仔细加工出来的；细看，光环由无数的冰粒子聚集而成，它们不仅自身时刻发生着相互作用，而且被土星和其卫星的引力相互拉扯着，这是一个名副其实的“天体力学实验室”。在自身轨道所限制的范围内，这些粒子被雕琢成了一系列复杂而美丽的形状。鬼斧神工的大自然总是能不断带给我们惊喜和快乐。

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土星是什么时候形成的？土星的表面为什么是黄褐色的？“大白斑”是什么？土星上也有极光吗？土星环的成分是什么？土卫六会是下一个“生命家园”吗？在地球上什么时间最适合观察土星？……

本书收录了100余张专业图片，从伽利略、惠更斯使用望远镜首次观察到土星的模糊影像，到卡西尼-惠更斯号探测器在2004—2017年近距离研究光环上的细节、土星大气成分等最新发现。本书回顾了人类对土星观察、理论预测、分析、证实的整个探索历史，重现了不同时代观测者眼中土星及其光环的模样。书中讲解了土星球体和土星环的构成，分析了各行星的运行模式与行星表面样貌的由来，详细解释了星环系统的形成原因，包括环上卫星与环粒子之间的相互作用，并探讨了土星的形成过程是怎样决定太阳系结构的。值得一提的是，在本书的最后，作者还为爱好者们提供了观察土星的实用建议。

[美]威廉·希恩（William Sheehan）

威廉·希恩（William Sheehan)，美国著名天文历史学家、作家，国际天文学联合会行星系统命名工作组现任成员，多年来一直从事土星、木星等行星的观测研究。他曾获得古根海姆奖和东方天文学会金奖，著有《土星》《木星》《火星》《发现冥王星》等科普作品。小行星16037即以他的姓氏“Sheehan”命名。

卢瑜

北京天文馆副研究员，《天文爱好者》杂志社社长。中国天文学会普及工作委员会委员，北京科技记者编辑协会理事，长期从事公众天文教育方案设计、活动策划、科普文章撰写等工作。翻译出版了多部科普作品，包括《小行星会撞击地球吗？》《到太阳系去旅行》《熊&孩子的星座故事书》《中国儿童视听百科·飞向太空》《水星》《木星》等。

第一章 浅黄色的星星   3

预言者/循环和本轮/距离太阳最远的前哨站

第二章 奇特的光环世界    20

为数众多的光环/神秘的C环/塞瓦斯托波尔围城战役/柯克伍德空隙/基勒的“魔法之夜”/球体，边缘的环，以及更多的卫星/一群“月亮”

第三章 土星：深度探索   65

土星对流层：风的运动模式/色彩/大白斑：土星标志性的大气现象/2010年的白色风暴/深入内部/土星的形成：见微知著

第四章 魅力光环   94

揭示光环结构：掩星现象/幽灵般的光环/航天器时代/老唱片上的凹槽/神秘的“辐条”/深受卫星折磨的光环

第五章 史诗般的任务：卡西尼号   127

回归的“辐条”/土星的一抹蓝色/多样的光环/从无垠时空到有形的环：光环如何生成？

第六章 众卫星月光环绕   151

探测器眼中的卫星/土卫六：行星一般大小的卫星/环卫星的特写

第七章 观测土星   171

观测目标清单/土星绘画/土星摄影/土星对恒星的掩食/土星的卫星/与土卫八有关的掩、凌、食/光环的侧边/望远镜都用起来！

附录一：专用词汇表   184

附录二：土星基础数据   186

附录三：土星卫星数据   189

参考文献   190

参考书目   197

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土星是什么时候形成的？土星的表面为什么是黄褐色的？“大白斑”是什么？土星上也有极光吗？土星环的成分是什么？土卫六会是下一个“生命家园”吗？在地球上什么时间最适合观察土星？……

本书收录了100余张专业图片，从伽利略、惠更斯使用望远镜首次观察到土星的模糊影像，到卡西尼-惠更斯号探测器在2004—2017年近距离研究光环上的细节、土星大气成分等最新发现。本书回顾了人类对土星观察、理论预测、分析、证实的整个探索历史，重现了不同时代观测者眼中土星及其光环的模样。书中讲解了土星球体和土星环的构成，分析了各行星的运行模式与行星表面样貌的由来，详细解释了星环系统的形成原因，包括环上卫星与环粒子之间的相互作用，并探讨了土星的形成过程是怎样决定太阳系结构的。值得一提的是，在本书的最后，作者还为爱好者们提供了观察土星的实用建议。

[美]威廉·希恩（William Sheehan）

威廉·希恩（William Sheehan)，美国著名天文历史学家、作家，国际天文学联合会行星系统命名工作组现任成员，多年来一直从事土星、木星等行星的观测研究。他曾获得古根海姆奖和东方天文学会金奖，著有《土星》《木星》《火星》《发现冥王星》等科普作品。小行星16037即以他的姓氏“Sheehan”命名。

卢瑜

北京天文馆副研究员，《天文爱好者》杂志社社长。中国天文学会普及工作委员会委员，北京科技记者编辑协会理事，长期从事公众天文教育方案设计、活动策划、科普文章撰写等工作。翻译出版了多部科普作品，包括《小行星会撞击地球吗？》《到太阳系去旅行》《熊&孩子的星座故事书》《中国儿童视听百科·飞向太空》《水星》《木星》等。

自伽利略和惠更斯首次观测土星以来，土星就一直让人着迷。闪耀的星环是它的标志性特征，这让它成为太阳系中仅次于地球的最具特色的行星。在书中，威廉·希恩穿越历史，从土星名称的神话起源，一直写到我们目前对这个遥远世界的了解。书中还配有丰富的插图和最新的参考资料。

——《自然-天文学》（Nature Astronomy）

对拥有小型天文望远镜和好奇心的业余天文爱好者来说，本书是了解土星、土星环和卫星的bi读书。

——BBC《天空之夜》（BBC Sky at Night）

一本涵盖了太阳系中最美丽行星的历史和科学亮点的科普图书，读者将欣赏到关于土星的古代记录以及对其性质和轨道的发现，以及大量手绘图与航天器拍摄的照片。随着探索的进步，书中描绘了土星的特征和通过强大望远镜、探测器取得的突破，并结合图表和照片论述了行星的颜色、光环结构、大气状态和极光。用一章的篇幅专门讲述卡西尼任务，另一章专门介绍土星众多且多样的卫星。书末的简短结尾章节还向业余天文爱好者提供了观测土星的建议。对太空感兴趣的读者都会发现这本书的迷人之处。值得推荐。

——《选择》（Choice）

每个人都记得他们第一次透过望远镜看到土星的场景，那最初的惊叹难以忘怀。在这里，作者提供了附有精美插图的深度探索，涵盖了我们对这颗有环行星所着迷的一切。从第谷和伽利略的早期研究到卡西尼任务的最新发现，书中囊括了所有内容。

——《天空与望远镜》（Sky & Telescope）