行星的光環：宇宙中的瑰麗圓舞線如何形成？

當我們仰望夜空，很容易想像浩瀚宇宙中，每個行星都是孤獨地漫遊。可是在太陽系裡，有幾顆巨大的行星身邊圍繞著美麗的光環(system of rings)，像為牠們圍起光芒的圓舞線。當說到光環，多數人第一時間想到土星（Saturn），因為其巨大的光環極為壯觀。不過，其實在太陽系中，木星（Jupiter）、天王星（Uranus）、海王星（Neptune）也各自擁有自己的光環，只是較不顯眼。那麼，究竟是甚麼原因令某些行星有光環，而地球和火星卻沒有？這些壯觀的結構又是怎樣形成的？

光環，其實是甚麼？——從近看與從遠看

先澄清一點，行星的光環絕不是像「光圈」那麼光滑或一片光帶那樣。實質上，光環是由無數的小塊物質組成的，它們可以大如小山，也可以細如沙塵，大多以冰和岩石為主。想像一下，小巴不停圍繞著一個大圓環行駛，但彼此之間又有千差萬別的尺寸和軌道。由地球望向土星，看到的是一圈閃爍的『帶』，但如果人在土星附近看，其實看到的會是一個個獨立的小天體在繞圈飛行。

土星的光環最為壯觀，由成千上萬塊冰和岩石碎片組成，當中夾雜著塵埃。這些物質反射太陽光，所以才看上去明亮異常。木星、天王星、海王星的光環就顯得暗淡和稀疏，需要用強力望遠鏡或者太空探測器才能觀測到。

光環源自哪裡？——幾個可能的來源

要探討光環的起源，我們可以綜合天文學家目前的多種理論。這些理論可以大致歸納成以下幾類：

衛星破碎：光環物質可能來自行星小型的衛星（moon）因碰撞、受潮汐力撕裂等原因而碎裂。舉例來說，如果有一個小衛星太接近巨行星，它所受的潮汐引力（tidal force）會遠大於其自體引力，最終導致解體。這個過程有如把一顆巨型芝麻湯圓（小衛星）推太近處於熱水的湯碗邊緣（巨行星），外力太強湯圓會崩裂並四散。
彗星與小天體的撞擊：不少行星經常受到彗星或小型天體（如小行星）的撞擊，這些撞擊產生大量碎片。當碎片未能聚合成新的衛星，就有機會留在行星附近，慢慢形成環繞的光環。
原始雲氣盤殘留：太陽系形成初期，行星周圍曾有大量氣體和塵埃雲（protoplanetary disk）。部分遺留物因為無法合併到行星和衛星系統中，於是保留下來，成為光環。

土星的光環年齡眾說紛紜；根據太空船『卡西尼號』（Cassini）的觀測，新近研究發現土星光環極可能較我們想像的新（可能只得幾千萬年）。而類似過程亦可能重複發生，即光環可以逐漸消散，再因新撞擊等事件而再次形成。

為甚麼光環多出現在巨行星？

令人疑惑的是，為何地球或火星沒有顯眼的光環，反而是太陽系外區的大型行星才有？其實這背後有物理原因：

引力夠大：巨行星如木星或土星本身有極強的引力，可以有效捕捉且長期保持大量軌道碎片，不易被拋離或撞回星球上。
較少『清場』：地球、火星等陸地行星（terrestrial planets）因為體積和引力較細，捕捉碎片的能力有限，而且大多碎片在太陽系早期時期已被移除或撞擊消失。
潮汐作用明顯：巨行星可以產生很強的潮汐力，使臨近的小衛星難以生存，容易被撕裂成碎片，形成環。

換個比喻，巨行星就像一間大戲院，場地夠大，容易收納更多觀眾（碎片）。地球就像小型家庭影院，場地太細，觀眾（碎片）很快就離場，留不下。

土星的璀璨光環：為甚麼稱得上獨一無二？

土星的光環系統之所以特別，是因為它覆蓋範圍極大，而且非常明亮。根據『卡西尼號』等探測器的數據，土星的主要光環系統厚度僅幾十米，但橫向直徑卻有十萬公里以上，相比之下如同一張極薄、極闊的唱片。光環的大部分由接近純淨的冰粒組成，而這些冰粒面積大、反光強，令光環看上去像中文水墨畫中一抹亮白般搶眼。

部份天文學家認為，土星現時光環可能是早期一枚冰質小衛星被潮汐破壞後解體的結果。因此現在這個壯觀的環帶其實是一個暫時的現象——再過幾千萬年，這些冰碎片因長時間被引力拉扯和太陽光加熱，可能會逐步掉落土星消失。

木星、天王星及海王星的光環：為何不如土星壯觀？

雖然巨行星普遍有光環，但只有土星的光環顯得極其壯觀，這是甚麼原因？其中一個決定性因素是光環的「原材料」和「新鮮度」：

冰含量高 vs. 岩石塵埃多：土星光環的主要成分是反光強的冰，令光環在陽光下遠比岩石和塵埃明亮。而木星、天王星和海王星的光環，則主要是塵埃和較少純淨的冰，故不易反光，難以肉眼觀察。
碰撞和補充速度：木星的許多小衛星相互碰撞會產生塵埃，形成鬆散而昏暗的光環，但隨時間逐漸耗散。反之，土星因光環較新，且一直有衛星碎片和冰粒源源不絕補充，令光環更加明顯。

天王星和海王星的光環非常黯淡，很難直接看到。此外，這些行星的光環通常較窄小，塵埃被電磁力和太陽風等帶走，維持不久，因此觀感上如薄紗環繞，沒有土星那種「刀疤熹微」的光彩。

潮汐力與羅氏界——行星光環的科學基礎

要明白光環為甚麼能存在，必須了解一個關鍵概念：羅氏界（Roche limit）。這是行星周圍一個特殊的半徑範圍——如果一個天體（如冰衛星）太接近行星，會受到巨大的潮汐力而崩潰解體。

例子如下：一個雪糕球（模擬小衛星）放置於一個有磁力的碗（行星重力場）內，當雪糕太近碗的邊緣時，便被拉扯得越來越鬆散，最終分解。羅氏界之內，很難有大型衛星長存，通常只剩細碎的物質圍繞環繞行星形成環。

而如果在羅氏界之外，有足夠多的物質，則有機會聚合形成真正的衛星。這也是為甚麼一般行星的光環都位於羅氏界內，而衛星則分布於更外圍。

光環的結構變化與『牧羊衛星』

若細看土星的光環，可以發現當中有不少間隙——最著名的就是卡西尼縫隙（Cassini Division）。其實，光環結構會受到很多小型衛星（牧羊衛星）影響。這些衛星的引力會像牧羊犬一樣，驅趕著光環物質，維持光環的窄小輪廓和平滑度，有時甚至會帶來複雜的波紋或清除出空隙。不少牧羊衛星在光環內部或邊緣徘徊，牽引著塵埃和碎片軌道的微調。