15年一遇，准备见证土星光环"消失"吧！

15年一遇，准备见证土星光环"消失"吧！

土星光环即将上演一场"消失"的魔术。2024年6月，土星光环的倾斜角度将减小到2°左右，几乎从我们的视野中消失。这一罕见现象引发了人们对土星光环观测的极大兴趣。

即将"消失"的土星光环

"难道萨图恩把他的孩子吞掉了？"

1612年，伽利略疑惑地写下上面的文字。萨图恩是罗马神话里的天神，在希腊神话中叫做克洛诺斯，据说因为害怕被自己的子女推翻，他会吃掉自己刚出生的孩子。在西方，土星——Saturn——正是以天神萨图恩命名的。伽利略之所以引用这个神话，是因为他在土星上观察到了一种奇怪的现象。

在望远镜发明之后不久的1609年，伽利略就制作出自己的望远镜，并进行了一系列天文观测，发现了月面上的山脉、木星卫星等。当他在1610年观测土星时，却发现在望远镜中土星的形状非常奇怪：不像其他的行星那样是一个圆盘，而是中间一颗大星，左右各有一颗小卫星与之相接。但是到了1612年，左右两边的小星却不见了。这令伽利略百思不得其解，进而发出了上面的感叹。一段时间之后小卫星再次出现，但是到了1616年的时候情况变得更加复杂。伽利略在当年的一封信中讲述了他的发现："我几天前观察到土星的两个伴星不再是像以前那样的两个完整的小圆球，它们变大了许多且不再是圆形，而是月食那样两个被遮掩的半圆，中间各有深色小三角形，且与土星相接触。土星则一如既往地呈现为圆形。"（图1）

图1 伽利略1616年描述的土星样貌，由信件抄写人绘制。
图源：Saturn and its Rings: Four Centuries of Imperfect，Sergio Roncato

伽利略遇到的困难来自于他的望远镜——最大的一个口径为4厘米——的总体光学质量并不尽如人意，所以分辨能力是很有限的。图2是伽利略望远镜现代复制品的观测效果，从中要看出土星结构的细节显然是相当困难的。

图2 伽利略所用望远镜的模拟观测效果。
图源：Galileo’s Telescope: The Instrument that changed the world

早期的望远镜除了受限于镜片本身的设计和研磨精度外，色差的影响更是无法忽略。在对抗色差的历程中，荷兰天文学家惠更斯开创了长镜身望远镜的时代（惠更斯制作的最大望远镜长达37米）。1655年，惠更斯制作成功一架长度3.6米，口径5.7厘米的望远镜，放大50倍。他将望远镜指向土星，立刻发现了一颗卫星（土卫六）。而对于困扰人们多年的土星形状问题，他也产生了新的想法。1656年，惠更斯宣布了土星卫星的发现，同时公布了一段字谜："aaaaaaa ccccc d eeeee g h iiiiiii llll mm nnnnnnnnn oooo pp q rr s ttttt uuuuu"。

这种字谜是将一句话中组成各单词的字母全部重新排列而成，是当时学者们经常使用的一种方法：在有所发现而又未能确认时，先公布谜语，待研究尘埃落定之后再宣布谜底。这样既证实了自己发现的优先权，又不给潜在的竞争者以更多的提示。

1659年，惠更斯出版了《土星系统》一书，并公布了字谜的原文为："Annulo cingitur, tenui, plano,nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinato"，即"（土星）被一个很薄的平面的环围绕着，环与土星本体不接触，且相对黄道面倾斜"。在书中惠更斯对出现各种形态的土星的原因提出了正确的解释：这是因为视线方向变化的投影效果造成的（图3）。

图3 惠更斯在1659年出版的《土星系统》一书中解释了土星形状变化的原因。
图源：https://www.christies.com.cn/lot/lot-huygens-christiaan-systema-6011062/

约200年后的1855年，麦克斯韦开始对土星环的稳定性进行研究，最终从理论上证明土星环不可能是一个整体，也不可能是液体，而只能是由分立的颗粒构成。现在我们知道组成土星环的是无数的碎块，主要成分是水冰。最为奇特的是这个几十万千米直径的庞然大物的厚度只有十几米。

土星光环角度变化之谜

从地球上看去，同其他大行星一样，土星一直在黄道附近运动，其环绕太阳的公转轨道与黄道面的夹角仅为2.5°。如同地球，土星的自转轴也并不垂直于它的公转轨道面，而是与轨道面法线有一个26.75°的夹角，这也是土星的赤道面与公转轨道面的夹角。

土星光环位于土星的赤道面上，所以相对于黄道面也是倾斜的。当土星运动到天空中的不同位置时，我们是在从不同的角度去观看。土星本体是个椭球，在不同方向上看去差别并不大。但光环是个扁平的圆盘，当我们的视线方向改变时，看到的光环形状就会有巨大的差别。

土星在天球上移动一周需要29.46年。图4中绘出了土星在2020年至2050年的30年间的运动轨迹，并在轨迹旁绘出了每次冲日时土星的形状。可以看出，在29年半的恒星周期内，土星环朝向地球的角度经历了一轮摆动。

图4 土星在天球上的位置与形状变化

如果将土星的赤道面延伸与天球相交，则会形成土星的"天赤道"，如图4中红线所示。

土星的轨迹即是从地球观察土星时的视线方向，而赤道圈上的各点代表着与赤道面平行的方向。如果土星与北黄极位于赤道圈的同一侧，说明我们是从南向北观察，所看到的是光环的南面；若是土星与北黄极位于赤道圈的两侧，则看到的是光环的北面。当轨迹与赤道圈的距离最远时，光环的倾角最大；而在轨道穿越赤道圈时，我们的视线正位于土星环平面内，从十几亿千米之外只能看到十几米厚的光环侧面，此刻奇妙的现象就会出现：土星环好像消失了。

图5 摄影师Alan Friedman在2004-2009年间拍摄的土星照片，记录了土星光环在2009年的"消失"。图源：APOD

对于土星而言，地球是内行星，与太阳的距角不超过6°。因此当地球位于土星赤道面附近时，太阳也正从侧面照亮光环，所以这一时期不仅光环本身的视面积最小，投射到本体上的影子也处于最窄的状态，此时的土星仅能看到一个略扁的圆面和环绕的卫星。

在29.46年的恒星周期中，土星光环形状与其在天球上的位置具有对应的关系。当土星位于天蝎座、蛇夫座和人马座时，光环北侧朝向地球最多，土星本体南部被遮挡；7年多之后土星运动到宝瓶座与双鱼座之间时，光环侧向地球，看上去最细。接下来的几年光环倾角又逐渐增加，当运动到金牛座、双子座时，光环的面积又达到最大，但只能看到光环的南面，而土星的北极则被光环挡住。再过7年多，土星来到狮子座与室女座之间，在此期间地球从南向北穿越土星赤道面，又会发生光环消失的现象。

有点巧合的是，土星自转轴的方向与地球是比较接近的，所以当土星在春分点和秋分点附近时，看到的光环都比较细；而当土星走到夏至点和冬至点附近时，光环的纵向张角最大。同时由于地球与土星各自的赤道面方向相近，因此任何时候看土星，光环长轴基本沿着东西方向。

土星光环连续三次"消失"

图6显示的是2020年至2050年间土星光环倾角随时间的变化，正值表示北侧朝向地球；负值表示南侧朝向地球。可以看出在土星的一个公转周期中，视线倾角的变化幅度达到50多度。值得注意的是长时间的缓慢变化上还叠加着一个小的起伏，这是由于地球公转的位置移动造成的，幅度大约是5度，循环一次平均378天，即土星的会合周期。

图6 土星光环对地球的倾斜角度随时间的变化

当前土星光环北面朝向地球。2024年6月25日前后，土星光环的倾斜角会降低到2°左右，但到11月份又会增大到5°多，此后持续减小。2025年3月23日，我们的视线从北向南穿越土星的赤道面，光环将完全消失不见。此后光环倾角向反方向增加，进入另一个14年多的周期，在此期间任何时候看到的都是土星环的南面。

土星的会合周期为378天，即平均每隔1年零12天发生一次冲日。冲日前后土星处于逆行，在它的轨迹上对应着折返后再次前行之间的区段。如果此时土星正位于狮子座与室女座、或宝瓶座与双鱼座之间，那么轨迹就可能与土星赤道圈大圆相交3次，也就是在不长的时间里出现三次土星环消失的天象。

这个现象从图6中可以看到会发生在2039年前后的一段时间中：倾角曲线将3次与横轴相交。我们将在6个月内目睹土星环的三次隐身（图7）：2038年10月15日地球首次从南向北穿越土星赤道面，2039年1月8日土星留，留后转为逆行。2039年4月2日土星路径从东向西与赤道圈第二次相交，土星光环第二次消失，地球又回到了土星赤道面以南；到五月下旬，土星第二次留后改为顺行，顺行一个半月以后，2039年7月9日地球再次从南向北穿越土星赤道面，土星环第三次消失。之后土星继续运动，轨迹逐渐远离赤道圈，我们所看到的光环倾角也就越来越大了。

图7 2038年至2039年，土星环在半年之内消失三次。

连续三次消失这种现象下一次发生在半个土星轨道周期后的2054年，然后就要等到2097年才会再次出现。

实际上与赤道面倾角相关的类似天象在其他的行星上也有所发生。例如木星的四颗伽利略卫星，它们的轨道基本都在木星的赤道面上，所以要想观测到木卫之间互相掩食的现象，我们视线的方向就必须基本处于赤道面的附近。和前面介绍的土星光环消失类似，在木星公转的12年周期中，会出现两次木卫互掩的观测季。

2025年的土星光环"消失"

虽然每隔14年就会遇到土星环几乎看不见的景象，但如果想在地球穿越土星赤道面的特定时刻进行观测，就必须考虑当时土星的可见性。地球连续3次来回穿越土星赤道面一定发生在冲日前后几个月的时间内，总体观测条件会较好；而只穿越1次的情况会发生在两次冲日之间，很可能距离上合不远，明年3月份就是这种情形。

从图8可以看出，2025年3月12日土星上合，因此从2025年2月下旬到4月初，土星距离太阳都不超过20°。3月23日光环严格侧向地球，而此时土星相距太阳只有10°，本体都难于看到，更不用说观察光环细节了。

2025年4月土星逐渐远离太阳，而光环倾角虽然增加，但未超过2°，需要抓紧时间尽早观测。7月8日倾角达到 3.6°后又杀了个回马枪，到2025年11月24日缩小到0.38°。就观看效果而言，土星环又变成了一条线，而且此时是在土星冲日之后2个月，很适合观测。

图8 土星环倾斜角变化与观测条件