土星以外的大行星也有环，而且全都不一样。即便以天文学的标准而言，行星环还是很奇特的东西。它们是由一些既微弱又违反直觉的力量塑造而成，例如在行星环里，重力反而会产生排斥物质的效应。现在我们领会到，那些我们曾经以为是静态的行星环，其实是不停地在变动发展；而我们也认清了卫星和行星环唇齿相依的关系；更重要的是，我们还知道行星环不仅仅是个精致的现象而已。跟马克士威一样，现代的科学家也体会到行星环与星系的相似之处；基本上来说，行星环也是一扇窗口，让人类能深入探究太阳系古老的起源。

伽利略于1610年头一次窥见到土星环，50年后由海更斯将它解释为环绕着行星的圈圈，而接下来三个半世纪则没有别的发现。然而一下子在七年之间，科学家便发现另外三个大行星也各有其它的环。第一颗是天王星；1977年，康乃尔大学的艾略特在监视恒星的亮度时，天王星正从前面掠过，他注意到讯号在闪烁。他推论那是一连串稍呈椭圆或倾斜的窄带，环绕着天王星所造成。1979年，航行者一号宇宙飞船观测到木星模糊的星环。最后在1984年，科学家利用类似艾略特的技术，侦测到海王星环的片段（但不是完整的环）。

那些令人兴奋的日子过了，行星环研究也停缓了下来——直到1990年代中期。自那时起，探究行星环的新时代开始了。哈伯太空望远镜、地面望远镜以及环绕木星的伽利略号探测船不断送来观测资料。土星最模糊的环及其卫星在1995年和1996年才看出来，因为那时候地球与土星的位置恰好使行星环与卫星出现于边缘，以致减弱了来自主环的光芒。1997年发射的卡西尼宇宙飞船，将在2004年7月到达土星，展开为期四年的土星之旅。

环环相扣

尽管现今已知的四个行星环系统细节上各不相同，共通的特性仍然很多。它们都有丰富的纹理，由多个同心环组成，环间还有大小不等的间隙。每一个环都是由无数的石块与冰粒所组成，这些粒子各自环绕着主行星，同时相互推撞。粒子的密度可以由光深度推敲出来，光深度也就是光垂直穿透行星环时，依指数函数衰减的参数。依据粒子密度大小，行星环可分成两大类。最密的环，例如土星主环（标记为A与B）及天王星环（以数字和希腊字母为标记），光深度可高达4，意思是只有2%的光透得过。最紧密的环所带的粒子，直径小自数公分大至数公尺。

密度较大的行星环系统中，粒子经常碰撞，绕行星一圈就常得撞上好几回。在此过程中，能量会散失，角动量也会重新分布。因为较靠近行星的粒子跑得比外侧的粒子快，而碰撞会拉回内圈粒子（然后掉向行星），并推开外侧的粒子（跑离行星），因此行星环就会散开。但是散开需要时间，从这角度，行星环可以看成黏滞的流体，缓慢地向内与向外扩散。土星环实质的动黏滞度与空气相当。

密度高的另一后果，就是强化了粒子之间的引力。或许这就是为何天王星环不是那么的圆：环内的重力在对抗要扩散成圆带的倾向。

在另一个密度极小的极端情况当中，已知最模糊的行星环，如木星环与土星的最外环，其光深度只有10-8到10-6。这些粒子就像棒球外野手那样，散得很开。因为它们难得碰撞，也就不会稳定下来成为扁盘。我们知道光如何由这一类行星环散射出来，由此可以推论，环内粒子是很微小的尘埃，只有微米大小，与一般烟尘差不多。所以这类结构可以说就是烟尘环。由于这些粒子很小，所展现的动态行为颇为特殊，除了受重力影响之外，电磁作用的影响也很大。

环场指挥

然而，在行星环系统里，卫星与粒子并不是孤立的；他们都绕着第三个物体（行星）运动。比较靠近行星的物体会跑得较快；我们暂且假设那跑得快的就是粒子。当卫星与粒子逼近时，卫星的重力会将粒子推上新轨道。这个过程和前面所讲的过程不同，是不对称的：粒子会较为靠近卫星，而强化两者之间的重力，因而粒子无法回复到原来速度，轨道能量与角动量都减少了。也就是说，轨道从圆形变为稍小的椭圆形。接下来，环内的碰撞会让椭圆轨道变回圆形，只是半径缩小了。

最后的净效应就是粒子被向内推。粒子之所失就是卫星之所得，只不过因为卫星较重，所以变动的距离较小。如果粒子与卫星易位，角色也就会互换：卫星在内，卫星则将粒子向外推，自己向内跑。无论如何，卫星的引力竟好似在推开行星环中的物质。这奇异的现象并不是因为牛顿定律出了错，它仅仅是因为两个物体环绕着第三者，而彼此间又有交互作用并且失去能量罢了。（这种「斥力」和膨胀宇宙理论中的「排斥重力」截然不同。）

和共振一样，这个机制也会在环中撬开出环隙来。环隙会一直拉大，直到卫星的斥力与行星环在碰撞时所产生向外扩散的力量达到平衡为止。土星的A环、C环与D环里都有这类环隙，隔开A环与B环的卡西尼环缝中也处处都是。（图说：土星环最壮观了，由图中可清楚看出A、B环间的卡西尼环缝，以及B环外侧的恩克环缝。）

反过来，这个机制能够压缩窄行星环。一束物质旁的卫星，无论位于哪一侧，都能像牧羊犬般发挥管束作用，将想逃开的粒子推回去。1978年，加州理工学院的芶瑞区与崔曼，提出这牧羊机制的假设，以解释为什么天王星像丝线一般的星环，竟然能够稳定（译注：若非这样，这稳定性就太奇怪了）。天王卫六与卫七使天王星的ε环围成一圈。土星的F环似乎是由土卫十六与土卫十七看管。当然，多数看得到的环隙以及又窄又小的环，仍然是未解的谜，或许它们是由目前技术仍看不到的卫星所操控。卡西尼宇宙飞船也许能够找出这些幕后的操纵者。（下图为牧羊过程，需要有两颗卫星守护在星环的两侧。最左图1：靠近行星的物体会跑得比较远的物体快。图2：内侧的卫星赶过位于星环内缘的粒子。卫星的引力改变粒子轨道。图3：在星环的外缘，粒子赶过外侧的卫星，自己也进入新的轨道。图4：现在改走新轨道的环粒子，会偏折进入环的主体，而发生碰撞。图5：碰撞后，粒子轨道又回复圆形。结果是粒子被推离了卫星。）

「排斥重力」的另一种效应就是把环的边缘弄得像扇形皱褶。从卫星的角度来看，很容易理解这些波纹的出现。因为行星环中的粒子源源不绝地流过卫星，当粒子越过卫星时，重力便会将圆形轨道修正成大小约略相等的椭圆轨道，粒子因此不会和行星维持等距关系。如果有人坐在卫星上，他会觉得这些粒子正谐调地前后摇摆着。这个规律的周期运动，其波长会与粒子和卫星轨道之间的距离成正比。

如果粒子位于卫星轨道外侧，形成的波看起来就会落于卫星之后；如果粒子位于外侧，则波就超在卫星之前。这就好像一艘船，当一侧的水流流速比船身还快时，船迹的余波就会是如此。本文作者之一（萧瓦特）分析了土星恩克环缝的扇形皱褶边，因而找出一颗先前从未现身的小卫星──土卫十八。F环是另一个例子，它起伏规律的纹块似乎是由土卫十六印制出来的。

吞云吐雾

第三个也是最后一个卫星施加于行星环上的作用，就是吐出和吸入物质。这种效应对于木星周围那些模糊的微尘环特别重要。事实上，我们一直要等到伽利略号造访了木星，才了解到卫星的这个作用。在更早之前，航行者宇宙飞船已经发现木星环以及两颗小卫星——木卫十五与木卫十六；它们就靠在主环的外缘。但是航行者的照片还不够清晰，因此我们看不出卫星究竟在干什么。它们是防止星环向外扩散的「牧羊犬」吗？还是行星环物质的来源（这些物质一旦在轨道上就会向内飘移）？航行者号也看不清行星环外缘模糊的那一片——陪伴着主环，薄轻纱似的行星环。（图说：木星环。较靠近木星的模糊地带是晕，外侧是薄纱环，两者间最亮的环是主环。4个白点由内向外分别是木卫十六、木卫十五、木卫五及木卫十四。）

从伽利略号的影像系统发现，薄纱环在木卫五轨道之外就突然消失了。还有另一个更模糊的薄纱环延伸到木卫十四，但再过去就没有了。我们其中之一（伯恩斯）去参加了公布这些影像的会议。在回程的班机上，他注意到了一个确凿的证据：最内侧薄纱环的垂直高度，与木卫五轨道倾斜的幅度相等，而最外侧薄纱环的厚度，也与木卫十四倾斜的幅度相符。再者，两圈薄环在它们顶端与底端最亮，显示有物质在那里汇聚；这正是当粒子和卫星这两者轨道的倾斜度相同时，该会发生的事。这么紧密配合的现象，只有一种最好的解释：这些粒子是流星体撞击卫星时，喷发出来的碎片。

讽刺的是，小卫星反而比大卫星更适合作为物质的来源：它们目标虽小，但是重力也较弱，碎片比较容易逃离。在木星系统中，我们可以推算出最有效的物质供应者，应该是10~20公里大小的卫星，这就大约和木卫十五与木卫十六一样大。如此便能说明，即使木卫五与木卫十四要更大上许多，但它们制造出来的环反而没来得那么庞大。