太阳落山了，最后一抹晚霞也消失在地平线上。夜幕开始降临，星星次第出现。在太阳落山一个半小时后，如果你处在一个视野开阔的地方，向南方望去，你会发现天空中有两颗明亮的相隔不太远的星星（注：这里描述的是2019年7-9月北半球的天象），其中左边（南偏东）的那颗暗一些，它就是大名鼎鼎的土星。
2019年7月星空图
此刻它位于人马座，亮度是0.3等，在还不算太黑的夜空中熠熠生辉。史前人类也早就注意到它了，并且确认它是一颗行星。古代中国人叫它镇星/填星，五行学说兴起后又叫它土星，西方则以古罗马农神萨图恩的名字（拉丁语：Saturnus）命名了它，英语世界叫它Saturn。
土星是太阳系第二大行星，距离太阳约14亿千米，绕太阳公转周期大约29年，目前它刚过冲日位置，太阳落山后不久就出现在东南方向地平线上，正是观测它的好时候。肉眼看上去土星平平无奇，但用望远镜看过去就是另外一番模样了。
1610年7月25日，意大利天文学家伽利略·伽利莱将望远镜指向土星，惊奇地发现望远镜里的土星两边各有一个小星，就好像土星长有两个耳朵一样，他想公布这个发现，但又怕自己弄错，于是按照当时学术界的习惯，把自己的发现用拉丁语写出来，再打乱字母的先后顺序，形成一段密语：smais mr mielmep oet ale umibuvnen ugttavir as【1】。
伽利略的好朋友、天文学家开普勒对破解密语很有兴趣，他反复尝试，认为伽利略写的是“Salve umbistineum geminatum Martia proles”（向您致敬，火星的双生子），意思是自己看到了火星的两个卫星。让开普勒扫兴的是后来伽利略公布的正确原文是：Altissimum planetam tergeminum observav（我看到最高的行星由三部分组成）。
早期天文学家用简陋的望远镜观测后绘制的土星草图
然而1612年年底伽利略发现土星的两个小伴星慢慢消失不见，之后1616年他发现它们又重新出现，这让伽利略迷惑不解。虽然受自己的望远镜的观测能力的限制，伽利略没有发现那两个所谓“伴星”究竟是什么东东，但这并不妨碍他是第一个观测到土星环的人。
将近40年后的1655年，26岁的荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯建造了一个像质更好的、能放大50倍的长筒望远镜，并用它观测了土星。他发现伽利略所看到的那两个小星并不存在，实际上是一个固体的光环环绕着土星，为了保护自己的优先权，在确认自己的新发现之前他公布了一段新的字谜：aaaaaaa ccccc dd eeeee g h iiiiiii llll mm nnnnnnnnn oooo pp q rr s ttttt uuuuu。
1659年他在拉丁语著作《土星系统》（Systema Saturnium）一书中给出了字谜原文：Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohaerente, ad eclipticam inclinator（有环围绕，环薄而平，没有一处与本体相连，而与黄道斜交）。
通过观测，他也解释了土星环定期消失一次的原因：土星环的轨道平面和地球公转平面有一个夹角，每隔14到15年，地球会进入土星环轨道平面，此时土星环侧面正对着地球，由于它很薄，所以地球上无法看到。
通过低倍率望远镜看到的土星光环
惠更斯的这个发现轰动了欧洲学术界，连基督教都来凑热闹：梵蒂冈图书管理员、神学家里奥·阿拉丢斯（Leo Allatius，1586 - 1669）就写论文声称土星光环是跟随耶稣·基督升天的包皮所变。这位天主教神学家想必还不知道土星光环的物理本质，否则他绝对不敢如此信口开河。
如上所述，惠更斯在著作中认为围绕土星的光环是一个固体的环，当时绝大多数天文学家也同意这个看法。但1660年法国诗人让?夏普兰（Jean Chapelain）做出一个天才的判断，他认为土星光环是由无数小卫星组成的。
1675年法国天文学家让-多米尼克·卡西尼（江湖绰号“老卡西尼”）发现土星光环中间有一道暗缝（后来被称为“卡西尼缝”），土星环因此被分成了两部分：环缝之外较暗的A环和内侧的B环，此外他还推测土星光环是由无数微小颗粒构成的。但这只是猜测，并不能说服大多数天文学家。
卡西尼绘制的土星环草图，他标出了卡西尼缝的位置
土星光环高分辨率照片，卡西尼缝和恩克缝清晰可辨
此后一个多世纪里，只有英国天文学家威廉·赫歇尔对土星光环进行了一些研究，他估测了土星环的厚度，并在1790年测出了土星光环的公转周期是10小时32分钟。
1837年，德国天文学家约翰·恩克在A环中间发现一条暗带，这条暗带后来被命名为“恩克缝”。1850年，英国天文学家威廉·邦德和乔治·邦德在B环内侧发现一个新的光环，后来被称做C环。
两年后，有几名观测者发现可以透过C环看到土星表面，这一发现严重动摇了土星环是实心固体环的传统观念。
于是1856年，物理学家詹姆斯·麦克斯韦从数学上研究了土星环的稳定性问题，他最终得出结论：“如果这些环是固态和均匀的话，它们的运动就会是不稳定的，因而它们就会被破坏；但它们并没有被破坏，而且它们的运动很稳定，故此它们要么是不均匀的、要么是非固态的”，“唯一能够存在的环是由无数互不连接的小颗粒组成，它们围绕着土星按各自的不同距离以不同的速度运行和演化”。
这篇重要的论文使麦克斯韦获得了当年的亚当斯奖。
土星光环细节，卡西尼探测器拍摄
在此之前，法国天文学家爱德华·洛希从另一个角度研究了土星环问题，他研究了天体的潮汐力问题。
我们知道，根据万有引力定律，中心质点的引力与受力物体到该质点的距离的平方成反比，而实际物体是有大小的，它靠近中心质点的一端和远离中心质点的一端到中心质点的距离存在微小的差异，这就意味着物体两端受到的引力并不一样，物体需要靠其内部的凝聚力来对抗这种引力差，当物体距离中心质点的距离达到某个限度时，引力差会超过物体的凝聚力，这个物体就会分崩离析了。
这个距离极限被称作“洛希极限”，进入洛希极限的大物体，无一例外都会被中心天体撕成碎片（著名的“火车彗星”——苏梅克-列维9号彗星就是在1992年被木星引力俘获，进入其洛希极限，彗核被撕成了一长溜小彗核，并于1994年再次经过木星时被木星完全吸引而坠入木星大气层）。
土星环就位于土星的洛希极限之内，因此它必然不是实心的固体环。苏梅克-列维9号彗星，彗核被木星的潮汐力撕裂成一长溜，1994年NASA拍摄就这样，经过了将近200年的探讨，人们终于发现诗人让?夏普兰和天文学家老卡西尼的猜测是对的。
之后的100年，天文学家通过各种途径来研究土星光环，他们确定了土星光环的厚度不到15千米（1908年），甚至是只有2.4千米（1966年），而且还发现了通过A环能够看到土星本体（1911年），这就再次证明土星环是由微小颗粒组成的。此外天文学家还发现土星光环中还有E环（1966年）和D环（1967年），并确认它表面覆盖有水冰。
卡西尼号深入土星环后拍到的细节照片，密密麻麻的小亮点就是组成土星光环的碎屑
自从20世纪50年代人类进入空间时代起，天文学家就有一个梦想，希望能够近距离观测土星环。随着航天技术的发展，从1973年开始，相继有三个探测器被送入太空，踏上探索外太阳系的慢慢旅程，它们分别是先驱者11号（1973年发射）、旅行者1号和旅行者2号（1977年发射）。
1979年先驱者11号从远距离掠过土星，发现了F环，确认了E环的存在。1980年到1981年旅行者1号和2号先后掠过土星，发现了G环，在B环上发现了“辐条”状的结构，探测器在近距离上看到土星光环由数千个小环组成，此外，在此前认为是环缝的地方也发现了一些小环。探测器还先后确认了几颗牧羊人卫星【2】。
位于恩克缝里的牧羊人卫星——土卫十八，卡西尼号探测器所摄
这三颗探测器取得的观测结果令人耳目一新，然而美中不足的是这些探测器都只是路过土星，留下惊鸿一瞥之后就匆匆踏上新的征程。为了更好的研究土星系统，
1997年，美国和欧洲联合发射了一艘专门研究土星的无人探测器“卡西尼-惠更斯”号，2004年“卡西尼-惠更斯”号进入环绕土星的轨道，2005年1月14日，探测器释放的着陆器“惠更斯”号在土卫六表面成功着陆并发回图像，卡西尼号则一直围绕着土星进行观测，2016年11月，即将耗尽推进剂的卡西尼号按照地面指令开始降低高度，向土星环靠近，在近距离观测并多次穿过土星环后，于2017年9月15日进入土星大气层烧毁。
卡西尼号探测器
已经粉身碎骨的卡西尼号在生命最终阶段对土星环的近距离观测大大扩展了我们对土星环的了解。我们首先知道了土星环的年龄。
天文学家们事先建立了土星环物质总质量和其年龄之间的关联模型，然后利用卡西尼号在土星和土星环之间穿行时速度的变化，估算了土星环B环的总质量（约为土卫一质量的40%），从而推算出土星环形成于约1000万年至1亿年前，这要比土星本身的年龄（46亿年）要年轻得多。
这与另一组天文学家利用卡西尼号上的宇宙尘埃分析器获得的数据估算的结果（土星环年龄在1.5亿-3亿年之间，或者更年轻）非常接近。换句话说，土星环出现时，地球上很有可能还被恐龙统治着。
我们也可以推算出土星环的寿命。天文学家发现组成土星环的物质（冰和尘埃）正在土星引力和磁场的作用下持续向土星表面坠落，形成所谓的“土星雨”，卡西尼号测算的结果是半个小时内从土星环落到土星上的尘埃雨可以轻松填满一个奥运会专用游泳池。根据土星光环现在的质量和它损失物质的速度可以估算，土星环将在大约1亿年后消失。
此前天文学家对土星环的起源有两种猜测，一种认为是土星诞生之初残留在土星轨道上的物质形成了土星环，另一种则认为是土星形成之后俘获了一颗彗星或者柯伊伯带【3】小天体，这个小天体在进入土星的洛希极限后解体而形成了土星环。
卡西尼号近距离观测组成土星环的小颗粒之后，发现它们的表面非常明亮，如果它们是土星形成之初就诞生的，那么几十亿年之后它们的表面应该覆盖着黑色的尘埃。此外上文提到的土星雨使土星环不断损失物质，照卡西尼号观测到的速度估算，土星环不可能有几十亿年的历史。天文学家推测，土星环可能的起源是一颗彗星或者小行星撞上了土星的某颗卫星，致使其破裂成碎片并改变轨道，进入土星的洛希极限，之后持续撕裂，最终形成土星环。
在这个过程中，碎片会受到其他土星卫星的引力影响，因此在土星周围某些区域会出现运动状态不稳定的情况，处在这些区域的物质碎片会被吸引走或者弹走，从而形成“缝隙”。此外在光环中还会由于碎片相互碰撞而重新生成卫星，它们对光环的物质分布也会产生相应的影响。正是这些复杂的、相互交织的影响，造就了我们今天能够看到的壮丽的土星环。
天文学家相信，太阳系中其他行星的光环也很有可能是同样的机制生成的。卡西尼号已经消失在土星浓密的大气层里了，但人类对土星的近距离探测才刚刚开始。接下来，美国和欧洲将继续合作执行名为“土卫六-土星系统任务”的深空探测计划，预计将在2020年发射一个复杂的探测器。
此外，中国计划在2030年发射一个深空探测器，在探测完木星后，将于2045年造访土星。相信这些人类的使者将会给我们带来更多关于土星环的信息。现在，请你在合适的时间放下手头上的事情，走出家门，仔细观看一下夜空中那颗闪亮的行星。请想象一下正在围绕着它运动的静谧的巨大光环，想象一下它是如何诞生的，又将如何消亡，心中是否会有一种难以言说的感觉？
注：
1，网络上流传的版本是smais mr milmep oet ale umibunen ugttauir as，经我核对是错误的。
2，牧羊人卫星（Shepherd moon）是存在于行星光环中的卫星，它们能够在行星环中清理出一个环缝，或者将环中的物质保持在环内而不至于飞散，就好像看管羊群的牧羊人一样。
3，柯伊伯带（Kuiper belt）是美国天文学家杰拉德·柯伊伯为了解释短周期彗星的来源而提出的一个假说，该假说认为在海王星轨道之外存在一个充满了处于冰封状态的小天体的带状区域，这里的小天体如果受到引力摄动而飞入太阳系内部，就会成为我们能看到的短周期彗星。1992年，天文学家找到了第一个柯伊伯带天体（KBO），到现在为止已经发现了大约1000个柯伊伯带天体，它们的直径从数千米到上千公里不等。
作者丨飞蠓
（完）
