行星環(huán)指圍繞行星旋轉(zhuǎn)的星際物質(zhì)，主要為一些碎片顆粒，目前在太陽系的一些行星上發(fā)現(xiàn)。在遠(yuǎn)處觀測(地球)，由于反射太陽光而形成一條環(huán)狀的帶子而得名。最早發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的科學(xué)家是伽利略(土星環(huán))。太陽系中擁有行星環(huán)的行星有木星、土星、天王星和海王星。

 形成

天文學(xué)家仍然未清楚行星環(huán)是怎樣形成的，但一般相信行星環(huán)并不穩(wěn)定，并會在數(shù)千萬至數(shù)億年之後消失，因此，現(xiàn)在所見的環(huán)系統(tǒng)應(yīng)該在近期形成，可能是一顆衛(wèi)星的碎片。這顆衛(wèi)星可能遭受巨大的撞擊，或者由於太接近行星(越過了洛希極限)而遭行星的潮汐力撕碎。

形成行星環(huán)的物質(zhì)各有不同，可以是小顆粒的硅酸鹽或冰，或是較大的石塊。

有時候，行星環(huán)內(nèi)會有一些小衛(wèi)星在環(huán)的邊緣或環(huán)縫中運(yùn)行，稱為牧羊人衛(wèi)星。牧羊人衛(wèi)星的引力使行星環(huán)保持清楚的界限—假如有物質(zhì)向牧羊人衛(wèi)星移動，不是會被推回環(huán)內(nèi)，便是會彈離環(huán)系統(tǒng)或是被牧羊人衛(wèi)星吸積。

有些木星的衛(wèi)星運(yùn)行于木星的洛希極限內(nèi)，例如木衛(wèi)十五和木衛(wèi)十六。木星環(huán)有可能便是由它們表面掉出來的物質(zhì)組成。在洛希極限內(nèi)，衛(wèi)星本身的引力不足以抵抗行星的潮汐力，衛(wèi)星不被整個撕碎是因?yàn)樗鼉?nèi)部的物理強(qiáng)度較大，但外部較松散的物質(zhì)則會被帶走。

海王星的環(huán)十分奇特，早期的地面觀測顯示環(huán)只是一些不完整的弧，但旅行者2號拍攝的影像則顯示一道完整但物質(zhì)分布不均的環(huán)。天文學(xué)家認(rèn)為，海衛(wèi)六或其它的牧羊人衛(wèi)星導(dǎo)致環(huán)物質(zhì)呈堆狀分布。

圍繞行星運(yùn)轉(zhuǎn)的物質(zhì)環(huán)，由許多小物體構(gòu)成，因反射太陽光而發(fā)亮，又稱光環(huán)。十七世紀(jì)發(fā)現(xiàn)土星環(huán)以來，人們一直以為唯獨(dú)土星有環(huán)。二十世紀(jì)七十年代后期天王星環(huán)和木星環(huán)的相繼發(fā)現(xiàn)，打破了這種觀念，并為研究太陽系起源和演化提供了新的信息。目前認(rèn)為行星環(huán)的可能成因有三：①由于衛(wèi)星進(jìn)入行星的洛希極限內(nèi)為行星的起潮力所瓦解;②太陽系演化初期殘留下來的某些原始物質(zhì)，因在洛希極限內(nèi)繞行星公轉(zhuǎn)而無法凝聚成衛(wèi)星;③位于洛希極限內(nèi)的一個或更多的較大天體被流星轟擊成碎片，構(gòu)成行星環(huán)。一般說來，大多數(shù)行星環(huán)中的物質(zhì)在行星的洛希極限內(nèi)繞行星本體運(yùn)轉(zhuǎn);最近發(fā)現(xiàn)，有的較外層的環(huán)可以分布在洛希極限外很遠(yuǎn)的地方，對于這些環(huán)的形成原因還有待研究。甚至洛希極限公式本身，近年來亦在修正中。

土星環(huán)

1610年，意大利天文學(xué)家伽利略觀測到在土星的球狀本體旁有奇怪的附屬物。1659年，荷蘭學(xué)者惠更斯證認(rèn)出這是離開本體的光環(huán)。以后二百年間，土星環(huán)被看作是一個或幾個扁平的固體物質(zhì)盤。直到1856年，英國物理學(xué)家麥克斯韋從理論上論證了土星環(huán)是無數(shù)個小衛(wèi)星在土星赤道面上繞土星旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)系統(tǒng)。

土星環(huán)位于土星的赤道面上。在空間探測以前，從地面觀測得知土星環(huán)有五個,其中包括三個主環(huán)(A環(huán)、B環(huán)、C環(huán))和兩個暗環(huán)(D環(huán)、E環(huán))。B環(huán)既寬又亮,它的內(nèi)側(cè)是C環(huán)(又稱紗環(huán))，外側(cè)是A環(huán)。A環(huán)和B環(huán)之間為寬約5,000公里的卡西尼縫,是著名的天文學(xué)家G.D.卡西尼在1675年發(fā)現(xiàn)的。B環(huán)的內(nèi)半徑 91,500公里，外半徑116,500公里，寬度是25,000公里,可以并排安放兩個地球。A環(huán)的內(nèi)半徑121,500公里，外半徑137,000公里,寬度15,500公里。C環(huán)很暗，它從B環(huán)的內(nèi)邊緣一直延伸到離土星表面只有12,000公里處,寬度約19,000公里。1969年在C環(huán)內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)了更暗的D環(huán),它幾乎觸及土星表面。在A環(huán)外側(cè)還有一個E環(huán)，由非常稀疏的物質(zhì)碎片構(gòu)成，延伸在五、六個土星半徑以外。1979年9月,行星際探測器“先驅(qū)者” 11號探測到兩個新環(huán)──F環(huán)和G環(huán)。F環(huán)很窄，寬度不到800公里,離土星中心的距離為2.33個土星半徑,正好在A環(huán)的外側(cè)。G環(huán)離土星很遠(yuǎn),展布在離土星中心大約10～15個土星半徑間的廣闊地帶。“先驅(qū)者”11號還測定了A環(huán)、B環(huán)、C環(huán)和卡西尼縫的位置和寬度,其結(jié)果同地面觀測所得的上述數(shù)據(jù)稍有出入，總的說來相差不大。但是“先驅(qū)者”11號在整個依傍飛行期間，沒有看到D環(huán)。因此是否真有D環(huán)，尚有爭議。“先驅(qū)者”11號的紫外輝光觀測發(fā)現(xiàn)，在土星的可見環(huán)周圍有巨大的氫云。環(huán)本身是氫云的源。

除了A環(huán)、B環(huán)、C 環(huán)以外的其他環(huán)都很暗弱。土星的赤道面與軌道面的傾角較大，從地球上看，土星呈現(xiàn)出南北方向的擺動，這就造成了土星環(huán)形狀的周期變化。

仔細(xì)觀測發(fā)現(xiàn)，土星環(huán)內(nèi)除卡西尼縫以外，還有若干條縫，它們是質(zhì)點(diǎn)密度較小的區(qū)域，但大多不完整且具有暫時性。只有A環(huán)中的恩克縫是永久性的,不過，環(huán)縫也不完整?？茖W(xué)家認(rèn)為這些環(huán)縫都是土星衛(wèi)星的引力共振造成的，猶如木星的巨大引力攝動造成小行星帶中的柯克伍德縫一樣。“先驅(qū)者”11號在A環(huán)與F環(huán)之間發(fā)現(xiàn)一個新的環(huán)縫，稱為“先驅(qū)者縫”，還測得恩克縫的寬度為876公里。

由觀測闡明土星環(huán)的本質(zhì)，要?dú)w功于美國天文學(xué)家基勒，他在1895年從土星環(huán)的反射光的多普勒頻移發(fā)現(xiàn)土星環(huán)不是固體盤，而是以獨(dú)立軌道按開普勒定律繞土星旋轉(zhuǎn)的大群質(zhì)點(diǎn)。土星環(huán)掩星并沒有把被掩的星光完全擋住，這也說明土星環(huán)是由分離質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的。1972年從土星環(huán)反射的雷達(dá)回波得知,環(huán)的質(zhì)點(diǎn)是直徑介于4厘米和30厘米之間的冰塊。

土星環(huán)中物質(zhì)的總質(zhì)量約等于土星質(zhì)量的百萬分之一。環(huán)極冷，探測到的溫度只有65～75K。

天王星環(huán)

自1781年發(fā)現(xiàn)天王星以來，尚未觀測過天王星掩恒星事件。1977年3月10日,發(fā)生了天王星掩恒星SAO 158687的罕見天象。美國和中國、澳大利亞、印度、南非都對這一天象進(jìn)行了觀測。結(jié)果意外地發(fā)現(xiàn)了天王星環(huán)。這是繼1930年發(fā)現(xiàn)冥王星之后，本世紀(jì)太陽系內(nèi)的又一重大發(fā)現(xiàn)。

天王星環(huán)非常暗弱，即使在大型望遠(yuǎn)鏡中，也從未看到過和拍攝到過?？墒?在這次掩星觀測過程中,當(dāng)天王星與恒星的星像相距甚微但尚未重合時，光電記錄儀上卻意外地記錄到次級掩?？茖W(xué)家們綜合分析了幾個天文臺的觀測資料，肯定在天王星周圍存在著由細(xì)小的微粒組成的環(huán)帶。當(dāng)時發(fā)現(xiàn)了五個環(huán),分別命名為α環(huán)、β環(huán)、γ環(huán)、δ環(huán)、ε 環(huán)。對觀測資料的進(jìn)一步分析，以及隨后對另兩次天王星環(huán)掩星事件的觀測，進(jìn)一步確認(rèn)，在α環(huán)內(nèi)還有三個小環(huán)，在β環(huán)和γ環(huán)之間,也有一個小環(huán)。這樣一共發(fā)現(xiàn)了九個環(huán)。

美國J.L.埃利奧特教授等人曾經(jīng)進(jìn)行綜合分析，得知幾個“老”環(huán)的半徑：α 環(huán)為44,844±29公里;β環(huán)為 45,799±28公里;γ環(huán)為 47,746±27公里;δ環(huán)為48,423±27 公里。這四個環(huán)的寬度都是 12公里左右。ε環(huán)是最外面的也是最致密的環(huán)，但是呈現(xiàn)不對稱性,恒星星像浸入環(huán)的一邊比恒星星像復(fù)現(xiàn)的一邊寬，半徑也大一些。前者約85公里寬，半徑51,613公里，后者約35公里寬，半徑51,055公里。但上述的量均有明顯的誤差。如ε環(huán)是一個橢圓，偏心率≈0.013。

中國紫金山天文臺和北京天文臺聯(lián)合觀測了這一特殊天象，成功地記錄了ε 環(huán)的掩星信息，并綜合計算了外國四個天文臺的觀測資料，得到ε 環(huán)的半徑在50,250～50,770公里之間,寬度在50～100公里之間。此外，在北京大學(xué)數(shù)學(xué)系的協(xié)助下，對資料進(jìn)行統(tǒng)計處理，還證實(shí)了存在其他的小環(huán)。

1977年12月23日和1978年4月10日,又發(fā)生兩次天王星環(huán)掩恒星的事件。前一次觀測證認(rèn)了若干老環(huán)，沒有發(fā)現(xiàn)新環(huán)。后一次觀測是由珀森在智利進(jìn)行的。美國加利福尼亞理工學(xué)院的P.尼科爾森等人分析了珀森的觀測資料，證實(shí)了五個老環(huán)的存在，還發(fā)現(xiàn)四個小環(huán)，他們稱為χ環(huán)、ι環(huán)、θ環(huán)和η環(huán);其半徑分別為42,088公里、42,349公里、42,618公里和47,290公里。分析了這些觀測資料，戈爾德里奇認(rèn)為ε 環(huán)是一個橢圓，它在天王星周圍以每天1°4的速率進(jìn)動著。環(huán)是不均勻的,離天王星中心越近的地方越狹窄。

1978年,美國的5米口徑的望遠(yuǎn)鏡用紅外光(工作波長 2.2微米)拍攝了天王星環(huán)的照片。這個波段正是天王星光譜中甲烷的吸收帶，所以圓面比環(huán)更暗。

木星環(huán)

1979年3月4日,當(dāng)行星際探測器“旅行者”1號穿越木星赤道面時,它攜帶的窄角照相機(jī)在距離木星120萬公里處拍到了亮度暗弱的木星環(huán)的照片。木星環(huán)離木星中心約128,300公里。環(huán)的寬度約數(shù)千公里,厚度約30公里,光譜型為G型。木星環(huán)系由黑色的塊狀物體組成，每塊的大小從數(shù)十米至數(shù)百米不等。這些塊狀物體圍繞木星旋轉(zhuǎn)，約7小時旋轉(zhuǎn)一周。

1979年7月10日，“旅行者”2號又在距木星約150萬公里處拍下木星環(huán)的照片。研究所得照片，發(fā)現(xiàn)木星環(huán)有兩個，外環(huán)較亮，內(nèi)環(huán)較暗。內(nèi)環(huán)幾乎同木星的大氣層相接。

海王星環(huán)

由于擁有環(huán)的三顆行星——土星、木星和天王星都屬于類木行星，因而人們很自然會去猜想第四個類木行星——海王星是否也存在環(huán)。

美國雜志《空間與望遠(yuǎn)鏡》1978年4月號曾報道，1846年10月10日就有人在60厘米反射望遠(yuǎn)鏡中用肉眼看到過海王星環(huán)，并在次年為劍橋大學(xué)天文臺臺長查里斯所證實(shí)，后者甚至得出環(huán)半徑為海王星半徑1.5倍的結(jié)論。但因后人在尋找海王星衛(wèi)星的多次觀測中均未發(fā)現(xiàn)環(huán)，這件事就漸漸被人淡忘了。本世紀(jì)80年代在發(fā)現(xiàn)天王星環(huán)的鼓勵下，不少人試圖通過海王星掩星事件來發(fā)現(xiàn)環(huán)，但對幾次掩星觀測結(jié)果的解釋卻是眾說紛紜。有人報道發(fā)現(xiàn)了環(huán)，有人則說不存在環(huán)。對報道發(fā)現(xiàn)環(huán)的觀測結(jié)果也有人認(rèn)為可用其他原因來解釋而否定環(huán)的存在?？傊?，海王星是否有環(huán)一時成了懸案。

1989年8月，"旅行者2號"探測器終于使這一懸案有了解答。當(dāng)她飛近海王星時，發(fā)現(xiàn)海王星周圍有3個光環(huán)隱藏在塵面下，而且外光環(huán)很不一般，呈明顯弧狀，沿弧有緊密積聚的物質(zhì)。但有關(guān)海王星環(huán)系的具體情況至今仍不太清楚，還需要人們更多的探測和研究。

其它

自從天王星環(huán)、木星環(huán)和海王星環(huán)發(fā)現(xiàn)以來，行星環(huán)在太陽系中再不是珍品了。那么其他行星是否會有尚未發(fā)現(xiàn)的環(huán)存在呢?有人提出地球歷史上也曾經(jīng)有過一個由微粒構(gòu)成的環(huán)，并用此來解釋大約3400萬年前地球上冬季溫度曾一度降低了20℃而夏季溫度卻無變化的化石植物學(xué)資料。這個假設(shè)的地球環(huán)存在了100~200萬年后因高層大氣的阻尼作用、微隕星的沖擊及太陽風(fēng)轟擊而逐漸消失，故今天也就不存在了。當(dāng)然這僅僅是一家之說，是否確有其事尚待后人進(jìn)一步考證。

最新：2008年，發(fā)現(xiàn)行星的衛(wèi)星上也存在星環(huán)。