土星環及衛星系統一覽
土星、土星環及主要冰質衛星(土衛一至土衛五)
土星主要衛星及若干小衛星訊息一覽。圖示大小符合真實比例

土星的衛星繁多,大者有比水星更大的土衛六,小者有不足一百公尺寬的小衛星。土星共有82顆軌道已得到證實而又沒有混進環內的自然衛星[1]其中直徑超過50公里的只有13顆;除此之外,還有上百萬顆微型衛星以及由無數細小顆粒所組成的土星環系統。[2][3][4]有七顆衛星的質量足夠大,其重力足以使其坍縮成近球體形狀,不過只有土衛六達到流體靜力平衡狀態(土衛五也有可能)。土星的某些衛星有著獨一無二的特殊地理。土衛六是太陽系第二大衛星(僅次於木衛三),而且有着類似於地球的氮大氣層、液態碳氫化合物的湖泊、河流和降雨。[5]土衛二的南極地區會噴射出氣體和塵埃,其表面之下很可能有液態水海洋。[6][7]土衛八的表面則分為黑白兩個半球,顏色呈鮮明對比。

土星的衛星之中有24顆歸為所謂的「規則衛星」,它們沿順行軌道公轉,且軌道與土星赤道平面之間的傾角不高。[8]土星的7顆主要衛星、4顆依附主要衛星的特洛伊小衛星英语trojan moon、一對共軌衛星英语co-orbital moon以及夾住F環的兩顆牧羊衛星英语shepherd moon,都屬於規則衛星。另有兩顆規則衛星的公轉軌道位於土星環隙內。體積較大的土衛七土衛六處於軌道共振狀態。餘下的規則衛星軌道分別位於A環外沿、G環以內以及土衛一和土衛二軌道之間。依慣例,規則衛星均以希臘神話中的泰坦巨神或其他與撒頓努斯相關的神祗命名。

其餘58顆小衛星的平均直徑介乎4至213公里,統稱為「不規則衛星」,其軌道距離土星更遠,軌道傾斜度更高,有的順行,有的則逆行。這些衛星很可能是引力捕獲而來的微型行星,或是被捕獲後解體並形成各個碰撞家族的微型行星碎片。不規則衛星可根據軌道特徵分為因紐特衛星群諾爾斯衛星群高盧衛星群,衛星名稱則取自所對應的神話。19世紀末發現的土衛九是體積最大的不規則衛星。

土星環的成分小至細微塵粒,大至幾百米寬的小衛星,它們沿各自的軌道繞土星公轉。[9]從而,土星並沒有一個確切的衛星總數,因為在組成環系統的無數無名顆粒和被標誌為衞星的大物體之間並沒有明確的界限標準。科學家通過探測環內物質所受的干擾,已發現至少150顆小衛星,然而這很可能只是冰山一角。[10]

截至2019年10月 (2019-10),尚有29顆衛星未獲命名,其中20顆將獲得永久編號和名稱。17顆衛星的名稱將取自北歐神話,兩顆取自因紐特神話,一顆取自凱爾特神話[11][12]

發現

12.5英吋望遠鏡所攝的土星(過度曝光)及土衛四至土衛八。

早期觀測

望遠鏡攝影技術被發明之前,天文學家利用光學望遠鏡直接觀測土星,發現了八顆衛星。1655年,克里斯蒂安·惠更斯用他自己設計的57毫米物鏡折射望遠鏡,發現了土星最大的衛星——土衛六[13][14]喬凡尼·多美尼科·卡西尼在1671年至1684年間發現土衛三土衛四土衛五土衛八(統稱為「路易之星」,拉丁語Sidera Lodoicea)。[15]威廉·赫歇爾在1789年發現土衛一土衛二[15]威廉·邦德喬治·邦德在1848年共同發現土衛七[16]威廉·拉塞爾亦於同年獨自發現土衛七。[17]

後來,天文學家利用長時間曝光底片,又發現了更多的衛星。威廉·亨利·皮克林最早在1899年用這種技術發現土衛九[18]1966年,奧杜安·多爾菲斯英语Audouin Dollfus趁土星位於分點,即土星環平行於視線時,進行觀測,發現了土衛十[19]若干年後,科學家發現,要完全解釋1966年的觀測數據,一定還存在著另一顆軌道與土衛十相似的衛星,這就是土衛十一[19]土衛十一與土衛十在同一個軌道上公轉,這種共軌衛星關係在太陽系中是絕無僅有的。[20]天文學家在1980年通過地面觀測又發現土衛十二土衛十三土衛十四,之後經旅行者號飛船證實。土衛十二是土衛四的特洛伊衛星,土衛十三和土衛十四則是土衛三的特洛伊衛星。[20]

太空船觀測

卡西尼號太空船拍攝的四顆土星衛星:下方最大的是土衛六,第二大的是土衛四,環下面的小點是土衛十六,上方的小點是土衛十三。
卡西尼號太空船拍攝的五顆土星衛星:右方只看到一半的是土衛五,土衛一在其後,環上面的是土衛二,F環後面的是土衛十七,最左邊的是土衛十。

自從使用了無人太空探測器,人們對外行星的研究發生了根本性的變化。旅行者計劃太空船抵達土星後,在1980至81年間發現了三顆衛星:土衛十五土衛十六土衛十七[20]此外,旅行者號還證實了土衛十和土衛十一是兩顆不同的衛星。1990年,科學家又在旅行者號的檔案照片中發現土衛十八[20]

卡西尼-惠更斯號[21]於2004年夏到達土星,發現了位於內圈的三顆小衞星(土衞三十二土衞三十三土衞三十四)和位於F環內的三顆未確認的衞星。[22]2004年11月,參與卡西尼計劃的科學家宣佈,土星環的結構顯示,在環以內還存在多個衛星,但當時拍攝到的只有其中一顆(土衛三十五)。[23]2007年,土衛四十九被發現。[24]2008年,卡西尼號探測到土星磁層高能電子在土衛五附近有削弱的現象,意味著土衛五可能擁有一個稀疏的環系統[25]科學家在2009年3月發現位於G環內的小衛星——土衛五十三[26]並於同年7月首次發現B環內的小衛星——S/2009 S 1[4]2014年4月,科學家宣佈在A環內有新衛星形成的跡象。[27]

地面觀測

四顆衛星同時凌土星,由哈勃太空望遠鏡所攝

隨著望遠鏡技術的提升,對土星衛星的觀測研究也變得越來越簡單,其中起到最大作用的莫過於取代了照相底片的數碼感光耦合元件。在整個20世紀期間,土衛九是唯一一顆為人所知的不規則軌道衛星。然而自從2000年起,天文學家利用地面望遠鏡陸續發現了三十多顆不規則衛星。[28]三座中等大小望遠鏡從2000年末開始進行觀測,一共發現了13顆衛星,其軌道距離土星遙遠,離心率高,與土星赤道和黃道平面的傾角都非常高。[29]這些衛星都很可能是某個更大的天體在被土星引力捕獲後解體而成的碎片。[28][29]2005年,毛納基山天文台的科學家宣佈發現12顆外圈小衛星。[30][31]天文學家利用8.2米昴星團望遠鏡,在2006年宣佈發現9顆不規則衛星。[32]2007年,土衛五十二(S/2007 S 1)、S/2007 S 2S/2007 S 3陸續被發現。[33]2019年,天文學家宣佈又發現了20顆不規則衛星,使土星衛星總數自2000年來首次超越木星[12][34]

土星的82顆衛星之中,有一些在被發現之後就未再被觀測到,以致無法從軌道數據推算目前的確切位置,這些衛星被稱為迷蹤衛星[35][36]天文學家在2009年以後的觀測當中已成功尋回不少迷蹤衛星,但仍有五顆(S/2004 S 13S/2004 S 17S/2004 S 12S/2004 S 7S/2007 S 3)至今下落不明。[34]

截至2019年10月 (2019-10)外太陽系四顆大行星的已知衛星總數。土星現有82顆已知衛星。

命名

天文學界現用的土星衛星命名法,可追溯至約翰·赫歇爾於1847年提出的方案:土星(在歐洲以羅馬神話中的農業之神撒頓努斯,相等於希臘神話中的格羅諾斯,為名)的所有衛星均以與撒頓努斯相關的神話人物命名。[15]當時已知的七顆衛星都取名於泰坦癸干忒斯(格羅諾斯的兄弟姐妹)[18]1848年,威廉·拉塞爾提出把第八顆衛星命名為海柏利昂,泰坦的又一員。[17]到了20世紀,十二名泰坦均以用盡,科學家就轉向古希臘羅馬神話的其他神祗或其他神話傳統中的巨神。[37]除以泰坦菲比命名的土衛九以外,其餘所有不規則衛星均以北歐神話中的冰巨神以及因紐特神話凱爾特神話人物命名。[38]

某些小行星與土星的衛星有著相同的名稱:小行星55(禍神星,Pandora)、小行星106(坤神星,Dione)、小行星577(母神星,Rhea)、小行星1809(Prometheus)、小行星1810(Epimetheus)和小行星4450(Pan)。此外還有兩顆曾經與土星衛星有相同名稱的小行星,後經國際天文聯會決議用不同拼寫與土星衛星相互區分開來:小行星53(島神星,Kalypso)和小行星101(拐神星,Helena)。

大小

土星衛星的相對質量。土衛一、眾多小衛星及土星環的質量都太低,在此圖中不可見。

土星衛星系統的質量分佈極不均勻,在圍繞土星公轉的物質當中,96%以上的質量都集中在土衛六。另外六顆近球體衛星共佔4%,其餘75顆小衛星,再加上土星環,只佔0.04%。[a]

土星的主要衛星與月球相比
土衛
直徑
(公里)[39]
質量
(公斤)[40]
軌道半徑
(公里)[41]
公轉週期
(天)[41]
396
(月球之12%)
4×1019
(月球之0.05%)
185,539
(月球之48%)
0.9
(月球之3%)
504
(月球之14%)
1.1×1020
(月球之0.2%)
237,948
(月球之62%)
1.4
(月球之5%)
1,062
(月球之30%)
6.2×1020
(月球之0.8%)
294,619
(月球之77%)
1.9
(月球之7%)
1,123
(月球之32%)
1.1×1021
(月球之1.5%)
377,396
(月球之98%)
2.7
(月球之10%)
1,527
(月球之44%)
2.3×1021
(月球之3%)
527,108
(月球之137%)
4.5
(月球之20%)
5,149
(月球之148%)
1.35×1023
(月球之180%)
1,221,870
(月球之318%)
16
(月球之60%)
1,470
(月球之42%)
1.8×1021
(月球之2.5%)
3,560,820
(月球之926%)
79
(月球之290%)

衛星群

儘管沒有確切的界定標準,土星的衛星還是可以根據軌道特徵分為十個衛星群。包括土衛十八土衛三十五在內的不少衛星在土星環以內公轉,其公轉週期比土星的自轉週期稍長。[42]最內圈衛星以及大部分規則衛星的軌道傾角都在1.5°以下(土衛八除外:土衛八的軌道傾角為7.57°),軌道離心率也較低。[43]最外圈不規則衛星(特別是諾爾斯衛星群)的軌道半徑為數百萬公里,公轉週期可長達幾年。諾爾斯衛星群的軌道方向甚至與土星的自轉方向相反。[38]

環小衛星

基勒環縫內的土衛三十五

2009年7月,天文學家在從土星B環上的陰影,在環外沿480公里以外的地方發現了直徑約為300米的小衛星S/2009 S 1[4]和A環小衛星(見下文)不同的是,S/2009 S 1並沒有在環上產生螺旋槳結構,這可能和B環的密度有關。[44]

2014年4月15日,天文學家發現一顆新衛星形成的跡象
土星F環、土衛二土衛五

2006年,天文學家在卡西尼號所拍攝的A環照片中發現了四顆小衛星。[45]在此之前,在A環縫內公轉的已知衛星只有體積更大的土衛十八和土衛三十八。這兩顆衛星的質量足以在環上掃出一條縫。[45]相比之下,小衛星只能夠在其附近區域清除出兩條約10公里寬的縫,形似飛機螺旋槳。[46]小衛星的直徑在40至500米之間,無法直接觀測。[10]2007年,天文學家又發現了150顆小衛星。除了兩顆位於恩克環縫內的小衛星以外,這些小衛星都集中在A環內的三條窄帶以內,軌道半徑在126,750至132,000公里之間。每條縫寬約一千公里,不足土星環總寬度的1%。[10]該區域不受更大衛星的軌道共振效應所影響,[10]然而A環內其他同樣不受軌道共振效應影響的區域卻不含任何小衛星。這些小衛星可能是某顆大衛星解體後的碎片。[46]天文學家估算,A環中有七千至八千個大於800米的螺旋槳縫,大於250米的則數以百萬計。[10]

F環內也有可能存在類似的小衛星。[10]F環附近的土衛十六可擾動環內的小衛星,使它們互相碰撞,形成天文學家在F環內所觀測到的噴射物質。最大的F環小衛星可能是有待確認的S/2004 S 6。F環內還有短暫出現的扇狀結構,這可能是由直徑約1公里的小衛星所致。[47]

土衛五十三位於G環的環弧內,與土衛一處於7:6平均運動軌道共振狀態,[26]也就是說,當土衛五十三公轉七周時,土衛一正好公轉六周。土衛五十三是G環中產生塵埃的最大天體。[48]

2014年4月,科學家宣佈在A環內有新衛星形成的跡象。[27]

牧羊衛星

牧羊衛星是在環系統內或附近公轉的衛星。這類衛星有塑造環的形狀的作用:它們會使環的邊緣更為鮮明,或產生環縫。土星的牧羊衛星有:恩克環縫內的土衛十八、基勒環縫內的土衛三十五、A環內的土衛十五以及F環內的土衛十六土衛十七[22][26]這些衛星和共軌衛星(見下文)都很可能是鬆碎物質積累在密度更高的核心而成。核心的大小約為衛星目前大小的三分之一至二分之一,本身可能是更大的衛星解體後的碰撞碎片。[42]

共軌衛星

土衛十土衛十一是太陽系中唯一一對共軌衛星。[20]它們體積相近,土衛十比土衛十一稍大。[42]兩者軌道半長軸只有幾公里之差,如果相互掠過的話,就會相撞。不過事實上,引力作用使得兩者的軌道每四年交換一次。[49]

內圈大衛星

土衛二上的虎斑紋路
土星環與衛星
土衛三及土衛十
土衛三,土星環為背景

在鬆散的E環以內,有內圈大衛星和阿爾庫俄尼得斯衛星群的三顆較小的衛星。