活動 主題： 揭開 土星 、 土星環 與 土星衛星群 奧秘

1. 金山鄉合家歡協會＆三和國小「放眼天文、熱愛自然」天文營課程金山鄉合家歡協會＆三和國小「放眼天文、熱愛自然」天文營課程 活動主題：揭開土星、土星環與土星衛星群奧秘 講員：天文物理學博士陳輝樺國立自然科學博物館展示組 我們的理念： 鼓勵家人一起遊戲、活動和服務，增進彼此的互動與親密， 同心建造健康和諧、溫暖有愛的社會。 我們的特色： 以生活體驗分享為重點，取代知識性的傳遞， 從活動、聯誼、服務中成長散發和諧家庭的氣氛 。

2. 活動內容 一、認識人類與土星 二、認識行星與衛星、 土星的衛星群與環盤面系統、 惠更斯號登陸艇與泰坦 三、動手做簡易土星系統模型 四、操作解說土星系統模型 五、認識當月星空

3. 東方先民們的曆法 公元前四世紀的中國先民已測得土星 28 年周天一次，一年走一宿，好像是鎮壓 28 宿一樣，所以把它叫做「鎮星」，又叫「填星」。

4. 西方的星占學 美索不達米亞神話中，土星（Ninurta）和他的兄弟火星（Nergal）都是戰神。土星也被描述成太陽（Helius）的飾物。中古世紀的畫表示出火星是老人中的裝飾，左下角是寶瓶座、右下角是摩羯座。老人手中拿著鐮刀，表徵他是希臘神話中的農神。

5. 星占學上的土星 這幅16世紀的木雕，說明從事和土地有關的工作者。這批通明達理的人和務實哲學家通常被列屬土星 中國《五行說》裡的五行相生、相剋示意圖表。 的個性，他們職業穩定、需長時間進行判斷，他們的工作需具備謹慎、雄大企圖心。

6. 有關土星的記載 從地球觀看外行星（如火星、木星、土星）的運行，在會合的前後可看到外行星呈現由順行、留、逆行、留、再順行的天象。 伯利恆星： 阿拉伯以及稍後的星象學家，對於這「伯利恆星」與三位波斯東來的智者（或作三王解），偏愛在他們理解的星占學外，找尋特殊天象作為合理的論述基礎。在17世紀早期，刻卜勒對於這三智者的解讀，猜測可能是一顆彗星和木星、土星在秋分期間在雙魚座裡會合的天象。這個位於法國Autun 的石刻像，表徵三位波斯王從木星和土星的會合時間，夢見耶穌的誕生。

7. 希臘古天文的土星觀測 托勒密的地心體系要點，除了說明地球位於宇宙中心靜止不動外，也描述包含土星等五大行星的運動，在土星之上就是恆星所在的「恆星天」。 在公元100 年，羅馬帝國就開始以日、月、五大行星來標示一週內的每個日子。而東方的日本曆也以日曜日、月曜日、火曜日、水曜日、木曜日、金曜日、土曜日來表示一星期內的個別日子。

8. 中古時代的土星科學觀測 刻卜勒年輕時所推理認知各行星與太陽的距離關係模型。 伽利略在1610 年和1616 年所繪出的土星外觀形狀。

9. 卡西尼號太空船造訪土星 太空船於 1997 年 10 月 5 日升空，目的地為距離地球 14 億 5 千萬公里遠的土星系統，為期長達 7年航向土星任務。兩次接近金星的機會，藉著金星的重力進行加速的工作。再次路過地球附近時，地球的重力正好可以使它得以加速和修正方位前往土星。卡西尼工作任務是以 4年的時間環繞土星 74 圈。惠更斯號於2005年元月順利地登陸土星了土星最大衛星土衛 6「泰坦」。卡西尼太空船已繞行泰坦 44 圈，且每天花 9 小時向 80光分外的地球傳回影像和觀測數據。因成果豐碩，現正延續任務中。

10. 卡西尼號太空船造訪土星 卡西尼號太空 船帶著惠更斯號 登陸艇的組構。 卡西尼號太空船 帶著惠更斯號登陸 艇於2004年7月1 日進入土星系統。 卡西尼號太空船帶著惠更斯號 登陸艇航向土星系統的過程。

11. 太陽系內的小集團 ─行星所在的旋轉盤面：黃道面 想去尋找太陽系裡行星等小集團的環境，首先我們該瞭解已知的太陽系特徵：1.所有 8 大行星軌道大致在一平面上， 太陽旋轉赤道面接近此一平面。2.行星公轉軌道近似一個以太陽為中心的圓。3.所有行星公轉和太陽自旋都是沿著相同的方向 (右手指向：右拇指北指、其餘四指所旋轉的方向)。4.太陽和多數行星（除了金星和天王星） 繞其軸自轉都是沿著相同的方向 (右手指向) ，其赤道面和「黃道面」(以太陽為中心，地球繞行太陽公轉軌道所呈現的平面) 夾角都很小。5.行星組成成份依距離太陽的遠近而有所差異，內(類地)行星是密緻且多金屬性，而外(類木)行星是巨大且為絕多氫成份。如木星上氫氦比為 79：19、土星氫氦比為 88：11、太陽雲氫氦比為 71：27、天王星氫氦比為 76：26。

12. 太陽系內的小集團 ─太陽的視位置座標：黃道面 6.行星和大多數的小行星都有類似的約 5 至 23 小時的周期自轉，明顯受太陽或衛星重力所引起的潮汐力影響，且自轉周期會漸慢下來。7.多數行星公轉軌道間的距離遵守波德(Bode)定律。繞行太陽公轉的軌道半徑比例，分別可簡略以 4、4+3、4+6、4+12、(4+24)、4+48、4+96、4+192 等關係數列來表示。8.內行星和小行星體的外表都呈現崎嶇不平的坑洞（是隕石坑或是火山坑）。9.外行星和其衛星群、行星環所形成之系統仿如太陽系統。10.彗星群正常運行軌道定界在太陽系外圍構成巨大幾乎球狀的雲霧狀、稱之為「歐特雲（Oort Cloud）」。

13. 太陽系內的小集團 ─ 行星公轉特徵

14. 行星公轉盤面與 行星環 、衛星群 • 行星公轉軌道近似一個以太陽為中心的圓，滿足著「刻卜勒的行星第一運動定律」：太陽在它的一個焦點上。 • 所有行星公轉和太陽自旋都是沿著相同的方向 (右手指向：右拇指北指、其餘四指所旋轉的方向)。這似乎述說著各個行星的來源和太陽的形成是分不開的緊密關係。 • 多數行星公轉軌道間的距離遵守波德定律(Bode's law)：以 4、4+3、4+6、4+12、(4+24小行星帶)、4+48、4+96、(4+192) 等關係數列來表示太陽系裡眾行星繞行太陽公轉的軌道。 • 所有行星公轉速度和與太陽距離間的關係，滿足著「刻卜勒的行星第二運動定律」：在等時間內，行星和太陽的聯線所掃過的面積相等。 • 所有行星公轉週期和與太陽距離間的關係，滿足著「刻卜勒的行星第三運動定律」：行星軌道半徑的三次方與其公轉週期的平方之比值是固定的。 • 類木行星赤道面的延伸，都存在著數層分別由塵埃、大小不等的冰塊與碎石等飄流物體所組成的一個盤面，在陽光反射下更顯得壯觀，這就是所謂的「行星環」。在行星環所在的盤面附近，也都有眾多的衛星存在著。它們共同地繞著該行星以不同的速度運行。

15. 太陽系內的小集團 ─旋轉盤面上的行星與衛星(特徵相同篇) 在黃道面公轉的行星和在行星盤面附近公轉的衛星，它們間有何異同之處呢？首先，在共同點有：1、它們都繞著一個大質量為中心公轉，行星繞行太陽、衛星繞著行星。上圖是 4 顆木星的衛星 (又稱之為「伽利略衛星」) 繞著木星運行的景觀。2、所有行星與衛星的公轉速度和繞行的中心距離間的關係，都滿足著「刻卜勒的行星第二運動定律」。3、所有行星和衛星的公轉週期和繞行的中心距離間的關係，都滿足著「刻卜勒的行星第三運動定律」。

16. 特洛伊小行星與特洛伊衛星 木星的特洛伊群小行星首度在 1906 年發現，現在的成員已知 L4、L5 至少各擁有 1 千多顆小行星體，由於位在木星前後 60 度之處，是一個當穩定的位置，小行星容易聚集成群，不會因太陽或木星的重力而散開或漂離現有軌道。 2001 年 8 月 21 日首度發現現第一顆海王星的特洛伊群小行星 2001 QR322，繞行太陽一圈的時間與海王星相同，約為 166 年，直徑約為 230 公里，可能已經與海王星共舞數十億年之久了。 1980 年發現土衛 12 (Helene) 可以說是土衛 4（Dione）的特洛伊衛星，因為它的軌道與 Dione 相同，但它是位在 Dione 後，且以土星為圓心、與 Dione 成 60 度夾角的位置上。土衛 13 (Telesto) 和土衛 14 (Calypso)，可以說是土衛 3（Tethys） 的 特洛伊衛星。

17. 太陽系內的小集團 ─旋轉盤面上的行星與衛星(特徵相異篇) 1、多數行星公轉軌道間的距離遵守波德定律，然而，衛星並未有此關係式。如左圖示土星衛星群的運行軌道分佈。 行星軌道和土星衛星軌道的差異

18. 太陽系內的小集團 ─旋轉盤面上的行星與衛星(特徵相異篇) 2、行星公轉方向和太陽自轉方向相同；而衛星則須由它的 來源判斷它繞行的盤面與方向，衛星公轉方向與行星自轉方向一致者稱之為「順行」、反之稱之為「逆行」。 3、軌道相鄰的驕小衛星常有互換軌道的情況發生。

19. 太陽系內的小集團 ─旋轉盤面上的行星與衛星(特徵相異篇) 4、行星有著個自的自轉方向，但衛星（甚至環塊）卻多僅以相同的面朝向運行中心點上的行星，仿如月球以同一面繞行地球的景觀。 從土星僅能觀察到泰坦的同一面 從地球僅能觀察到月球的同一面

20. 太陽系內的小集團 ─ 潮汐力的作用

21. 行星和衛星是怎麼來的？ • 從行星公轉的方向所具有的高度一致性，以及類地行星、類木行星與冰冷小行星等行星體組成類型特徵來探究它們的來源，不得不讓天文物理學家們猜測：行星絕大多數可能是在造星過程中，隨同太陽由一大團星際雲氣的旋轉、凝聚、扁平化等演化而來。 • 由衛星繞著行星公轉盤面與方向順行與逆行之分，再加上同一顆行星的眾多衛星裡，它們組成的大程度差異性等特徵來探究它們的來源，不得不讓天文物理學家們猜測：衛星群中雖有伴隨該顆行星一起演化誕生者，但是有些可能是從遊蕩路過的小星體被擄獲者。

22. 行星和衛星是怎麼來的？ 恆星的一生模擬動畫。 太陽系的誕生模擬動畫。

23. 你對土星認識多少？ 土星年約 10,760 個地球日 （約29.46 個地球年） 土星日約 10 小時 14 分（赤道附近）、約 10 小時 40分（深層內和高緯度大氣）。 土星繞行太陽公轉的軌道面與黃道面夾角約2.48446 度。 土星公轉平均速率每秒 9.64 公里。 土星赤道面與公轉軌道面夾角約 26.73度。 土星與太陽平均距離約 14 億 2672 萬公里（9.537 AU；與太陽的距離介於 9.005 AU 至 10.07 AU 間）。 土星質量約 5.69 × 1026 公斤（95.147 M⊕；平均密度 0.69公克 / 立方公分）。 土星赤道直徑約 120,660 公里（9.42 D⊕）。 土星大氣雲上端溫度約 -180°C。 土星大氣雲上端重力約 11.37 公尺 / 秒平方（1.16 G）。 土星的逃逸速率約 35.6 公里 / 秒（3.2 V⊕）。 土星的衛星個數：2006 年底已知 60個，已命名者有 39 個。 土星與地球會合週期：約 378 地球日（因 1/365.24 － 1/10,760 ≒ 1/378）

24. 你對土星的大小認識多少？ 土星環和地球的大小比較

25. 土星特徵 ─ 土星磁場

26. 土星特徵 ─ 土星核心組成 核心組成： 氫：71% 氦：27% 水、甲烷 岩石：2% 大氣組成： 氫：92.4% 氦：7.4% 甲烷：0.2% 氨：0.02% 水：~ 0.4%

27. 土星特徵 ─ 土星表面 高速旋轉下的土星表面

28. 土星的大氣現象 類木行星東西向風速比較

29. 土星的北極大氣現象

30. 土星特徵 ─ 土星衛星系統 土星衛星 與土星的 距離關係

31. 土星特徵 ─ 土星衛星系統

32. 衛星的來源推測 與 組成 一、伴隨著行星誕生環繞在行星旋轉盤面的細小物質凝結形成。 二、大撞擊釀成的產物。 三、捕捉到從旁路過的小星體。

33. 土星衛星的運行 • 有幾組由 2 顆或更多顆衛星組成的衛星群，它們會同步地共用幾乎相同繞行土星的公轉軌道，它們或許是同一來源。 • 所有土星的衛星的公轉都遵守著刻卜勒的行星第二與第三運動定律。 • 土星的衛星公轉方向須由它的來源判斷它繞行的盤面與方向，衛星公轉方向與行星自轉方向一致者稱之為「順行」、反之稱之為「逆行」。 • 所有土星的衛星幾乎僅以相同的面朝向運行中心點上的土星，仿如月球以同一面繞行地球的景觀。 • 土星的衛星公轉運行的方式和軌道，也和土星環的形狀與分怖有著緊密的關聯。 • 軌道相鄰的嬌小衛星常有互換軌道的情況發生。

34. 土星衛星的運行 • 軌道相鄰的兩顆驕小衛星，內側的衛星會以較快的角速度追趕接近前方外側的衛星，在兩顆衛星接近的過程中，因著彼此間的重力吸引，減低了位在前方的衛星速率、且加快了位於後方的衛星速率，而結果造成了它們軌道的互換。

35. 土星衛星的睦鄰面面觀 • 衛星導引鄰近的行星環的塵埃微粒運行，彷如牧羊犬作為。 • 在環中開出一條自己繞土星公轉的通道環縫、且清理環縫裡的細小塵埃微粒。 • 窄化相鄰兩衛星間的土星環縫。 • 生成螺旋狀的「密度波（Density Waves）」。 • 衛星是鄰近行星環皺褶與波的肇事者。

36. 土星衛星的睦鄰面面觀 (續) • 有「引導衛星或牧者衛星」之稱的土衛 16（Prometheus，圖上較近土星者）和僅距離 30 ~ 50 公里的土衛 17（Pandora，位於圖上右下角）造成了鄰近的 F 環掀起皺褶的波紋現象。

37. 土星衛星的睦鄰面面觀 (續) 在環中開出一條自己繞土星公轉的通道環縫、且清理環縫裡的細小塵埃微粒。

38. 土星衛星的睦鄰面面觀 (續) • 因著衛星的重力作用會減低內側微粒的速度使得微粒往內靠；反之，增快外側微粒的速度使得微粒往外軌道移。

39. 土星衛星的睦鄰面面觀 (續) • 兩衛星間的土星環縫裡的塵埃微粒，會被內側的衛星加速、增加它們的離心力而略遠離；反之，會被外側的衛星減速、降低它們的離心力而略向內靠近，因此使得相鄰兩衛星間的土星環縫會被窄化。

40. 土星衛星的睦鄰面面觀 (續) 生成螺旋狀的「密度波（Density Waves）」。 衛星是鄰近行星環皺褶與波的肇事者。 卡西尼號太空船近距離拍攝到在 Keeler 縫中 的小衛星造成了它兩側環的波動。

41. 你對土星環認識多少？

42. 行星環的來源推測 • 伴隨著行星誕生環繞在行星旋轉盤面的細小物質 伴隨著行星從一團星際雲氣經過凝聚、旋轉、扁平化的行星形成過程，而在距離該行星較遠處，雖然它們都未被行星吸進去，但仍受到行星強大的重力影響無法逃脫而持續地繞行該行星，成為行星系統的一部分。 • 潮汐力撕裂疏鬆星體釀成的產物 環繞在行星體四周的星體，在它面對該行星處所受到行星的重力會比背對該行星處所受到的重力來得大，這就會使得這個星體造成變形，彷如潮汐的起落，我們稱這種重力的位差為「潮汐力」。若環繞在行星體四周的星體內部過於疏鬆而無法抵擋潮汐力的拉扯，則會使得該星體結構全面的瓦解，而爆裂成無數細小的物質，繼續環繞著行星呈圓環盤面，這就是行星環。

43. 行星環的來源推測 類木行星的旋轉盤面上所殘留的無數細小冰冷物質，可能是伴隨著該行星誕生而保留下來的。 由疏鬆衛星被行星潮汐力撕裂呈行星環的過程想像圖。

44. 土星環的組成 卡西尼號太空船偵測分析的土星環組成分子大小。 卡西尼號太空船偵測分析的土星環冰雪組成和塵埃組成。 冰冷的雪塊和塵埃組成了絕大部份土星環的想像畫。

45. 土星環的運行 土星環是數千條個別獨立的細小環所編織而成，而組成每條細小環上的冰冷雪塊和塵埃都是個自在自己軌道上獨立繞行土星的。當然，位置在內圈者，它們較接近土星、它們的角速度會比外圈環上的微粒來得快，那麼會呈現出何種景觀呢？再加上衛星在環的附近運行，對環中的每一冰雪塊而言，彷如大卡車從你身旁呼嘯而過，又會造成什麼樣的現象呢？ • 彷如星空中神秘的環面大飛輪（Ring Spokes）。 • 形成由內圈向外傳遞的「密度波（Density Waves）」。 • 由環縫與土星的距離推算，以及太空船近距離的觀測，得知環的運行受到鄰近衛星的重力影響而形成「共振現象」。

46. 土星衛星系統帶來的啟示 探究仿如小型太陽系行星系統的土星衛星系統，其系統裡快速的各種變化中，可以讓我們深刻瞭解太陽系的可能來源、演化和預兆未來的可能發展情景。一、由衛星與土星環的互動過程中，似乎模擬著行星與周遭星體的互動。二、由衛星分組繞行土星 公轉的情景，正是特洛伊小行星伴隨類木行星繞行太陽的寫照。三、最近大量地發現離土星稍遠的衛星，可比擬近來對於庫柏帶附近小行星體的發現。

47. 土星環系統模擬太陽系盤面 探究仿如小型太陽系黃道面的土星環系統，其系統裡快速的各種變化中，可以讓我們瞭解太陽系的可能誕生來源與演化過程發展情景。 最近發現新土星環的方法，可比照近來對於太陽系外行星體的發現。 由土星環上生成的共振波動現象，以及環縫與土星的距離關係，或許提供了仿如多數行星公轉軌道間的距離遵守波德定律的機制。 由土星環與衛星的互動過程中，似乎模擬著太陽系小行星體與行星的互動。左圖示在海王星外的庫柏小行星帶，它位於太陽系的黃道面上，正是太陽系裡眾行星繞行太陽公轉的軌道盤面，它的外觀像不像土星的環面？

48. 泰坦 (Titan，土衛 6)

49. 泰坦大小比較

50. 類木行星的衛星大小比較