土卫一

土卫一（Mimas，米玛斯）^[6]，又称死星，^[3]平均直径为397.6公里，^[5]是土星的一颗天然卫星。^[8]1789年，威廉·赫歇尔（William.Herschel）用望远镜发现了土卫一^[7]，威廉的儿子约翰.赫歇尔（Sir John Frederick William Herschel）用希腊神话中泰坦族的米玛斯为其作名。^[9]土卫一的平均密度为1.14克/立方厘米，^[5]主要由水冰组成，含少量岩石。^[7]土卫一是已知的太阳系中最小的在自吸引作用下呈球状的天体，^[4]并且由于轨道共振作用运行轨道呈椭圆形。^[10]土卫一的前半球在低纬度地区存在热异常，异常是由于表面具有更高的热惯性。^[11]

土卫一上布满陨击坑，被冰层覆盖。^[12]其中最大的陨石坑赫歇尔陨石坑，直径约为130公里，为纪念土卫一的发现者而命名。^[13]陨坑中还有个直径130千米的赫歇尔环形山。^[14]在赫歇尔环形山对面，还能看见因撞击产生的裂缝。^[7]在土星系统中，土卫一像一个“环保卫士”一样不断清理卡西尼环缝中的物质，使其无环粒成为环缝。^[15]而且土卫一离土星最近，由于轨道共振现象就会影响到土星环的形状。^[1]

科学家们先后通过先驱者11号探测器、旅行者1号、旅行者2号以及卡西尼号飞船探测器对土卫一进行观测和探索。^[16]1980年11月12日，旅行者1号拍下了表面凹凸不平的土卫一^[17]。卡西尼号对土卫一进行了十多年的研究。之后科学家通过传回的图片数据仔细研究土卫一轨道上的细微变化，推断出隐藏海洋的存在，并估计出它的大小和深度。^[18]关于土卫一内部海洋存在证明的研究已经于2024年发表于《自然》^[19]。

1789年9月17日，天文学家威廉·赫歇尔（William.Herschel）发现了土卫一。^[7]他如此记录这次发现：“1789年9月17日，我的四十英尺望远镜状态出色，我发现了第七颗卫星，当时它位于轨道最西侧。”^[4]土星是太阳系中卫星最多的大行星。从1979年开始，探测器不断发现新的土星卫星。^[20]

1789年9月，威廉·赫歇尔发现了土星的第七颗卫星——土卫一。新发现的卫星是最靠近土星的天体，轨道周期不到1天。威廉的儿子约翰.赫歇尔（Sir John Frederick William Herschel）后用希腊神话中泰坦族的米玛斯为土卫一作名。^[9]1966年以前，人们发现了土星的9个卫星。故天文学家们用时间之神萨徒尔恩的儿女和侄子的名字来称呼那9个卫星。^[21]名称都来自古希腊泰坦神话体系。^[22]

2019—2021年，科学家通过多部巨型地面望远镜的观测发现，之前因为被认为太小、太暗而无法探查清楚的62个“疑似天体”，都是土星卫星（简称土卫），其中一些小个头的直径才2.5千米。此前，拥有95颗已知卫星的木星被认为是太阳系中卫星最多的行星。而现在，拥有145颗已知卫星的土星成为最多的行星。土星也是太阳系中卫星数量过百的唯一行星。^[23]

《世界地质》1986年第四期发表了关于太阳系起源的讨论——初论巨量依次分离说，该文提出了关于卫星起源的假说。指出卫星是在行星产生时旋转运动过程中，从尾部分离甩出来的物质，经过波状旋转分离运动产生的。土卫一作为土星的一个卫星，或许也遵守该假说的形成理论。但未有科研研究表明其形成过程。^[24]

1979年先驱者11号飞掠土星及其卫星。^[25]为后期更复杂的旅行者号太空飞船展示了安全飞过土星光环的通道。1979年9月1日，先驱者11号飞临土星21.4万千米上空对土星及卫星进行探测，拍摄了大量照片。^[16]先驱者11号是第一个造访土星的太空探测器。在它穿过太阳系空间飞行时，也探测了磁场宇宙射线、太阳风和行星际尘埃混合物。^[26]在飞越土星的过程中，拍摄了首张极地图像^[27]。还发现了土星的第11颗卫星及第七道光环。^[28]

旅行者1号（Voyager1）和旅行者2号（Voyager2）分别于1980年11月和1981年8月飞临土星。^[28]1980年11月13日，旅行者1号距土星云顶12.42万km处飞过，对土星和卫星详细探测，发回1万多张照片和大量科学数据。1980年11月12日，旅行者1号拍下了表面凹凸不平的土卫一^[17]。

1981年8月25日旅行者2号也来到土星进行科学考察，发回许多照片和资料。^[16]2艘旅行者号获取了土卫一一半区域1.3~4km的像素影像，可以识别一部分直径约10km以上的撞击坑。获取了土卫一表面75%~95%区域，分辨率高达100~400m像素的影像，大大提升了土卫一的全球分辨率和覆盖率。^[29]

卡西尼号是NASA和ESA共同开发，并于1997年发射的土星探测器。^[30]卡西尼号飞船于1997年10月携带着惠更斯号飞向土星，2004年12月惠更斯号已脱离卡西尼号飞向土卫6。^[28]卡西尼号探测器2010年2月飞越土卫一时，发现土卫一陨石坑左侧温度偏高，温度达到-180℃，而陨石坑附近以及坑的右侧温度只有-195℃。^[31]卡西尼号飞船拍下一幅关于土卫一“米玛斯”的热量分布照片．图片也显示该卫星热量分布很不均匀。科学家认为，这是由于其表面构成成分的差异所造成的。^[32]土卫一的表面热成像图，看起来酷似20世纪80年代的游戏中的人物吃豆人。^[33]

卡西尼号从2004年到2017年一直在探索土星系统。最初是为探索土卫六而设计的，但在探测期间也经常将其天线转向土星的主要无气冰卫星（土卫一等）^[32]。并且创下了从10000公里的近距离飞掠土卫一这个小小的冰雪世界的记录。^[34]2017年1月30日，卡西尼号飞船最后一次近距离飞越土卫一时拍摄了一张照片。当时，卡西尼号的相机朝向接近太阳的方向，距离土卫一只有45000公里。^[12]2017年9月，卡西尼号进入土星大气，就此完成了自己的探测使命。^[30]

土卫一的平均密度为1.14克/立方厘米。^[5]主要由水冰组成，少量岩石。^[7]土卫一是已知的太阳系中最小的在自吸引作用下呈球状的天体。^[4]其表面主要是一个直径130千米的环形山和赫歇尔陨石坑。^[13]

土卫一是太阳系已知的最小岩石球状体卫星，可以根据自身的引力以及自转形成球体。但值得注意的是，只有直径足够大的天体才会具有球体形态。一般而言较大的天体具有更大的质量和重力，其形状更接近于完美的球形，如太阳，其极直径和赤道直径的差别不到10千米，扁率大概只有900万分之一，所以形状非常接近于圆球。比土卫一更小的天体，却不是球体的了，如土卫七形状诡异，其直径约为270千米，自转周期为混沌状态。^[37]

土卫一表面颜色深浅明显不同。由于土卫一离土星非常近，轨道周期只有0.94天，它同月亮一样已经潮汐锁定，从土星光环飘落下来的黑色物质落在土卫一一侧，另一侧却得不到，颜色就不一样。^[31]由于位于阳光的阴影中，土卫一朝向土星的半球几乎是全黑的，边缘被阳光照亮的部分形成了引人注目的月牙形。实际上它布满陨击坑、被冰层覆盖。^[12]

土卫一在可见光下，表面看起来有严重的陨石坑，平淡无奇。因此，当对2011年卡西尼号复合红外光谱仪（CIRS）获得的数据进行分析时，发现土卫一的前半球在低纬度地区存在热异常。这个异常区域是一个类似透镜的形状，位于土卫一主半球的低纬度地区。它表现为一个夜间温度比周围环境更高、白天温度更低的地区。热异常区域与土卫一的红外/紫外表面颜色变暗在空间上相关，并且该区域优先受到高能电子轰击。白天比周围环境低约15K。异常的原因被证明是由于表面具有更高的热惯性。^[11]

其表面热成像图，看起来酷似20世纪80年代的游戏中的人物吃豆人。当时卡尼西号飞船对土卫一表面的温差进行了测量后，科学家还提出这种变化可能与表面材料的质地多样性有关。并解释说，图中显示的这颗卫星上颜色较浅的地方，可能保存热量的能力比其他地方更好。^[33]

土卫一的表面主要是一个直径130千米的环形山，名为赫歇尔环形山。它几乎是整个卫星直径的三分之一，内壁大约有5千米高，部分底部深10千米，中央山峰在环形山中隆起6千米。^[14]土卫一的环形山的密集程度极高，预估它的固态表面早在46亿年以前土星系统乃至整个太阳系形成之初即已形成。^[38]

在土卫一上和赫歇尔环形山相对的一面，有一个被称为深谷群（chasmata）的大裂缝。可能是由陨石撞击所产生的冲击波造成的，这颗陨石的撞击不仅形成了星球地表最大的陨石坑，还差点把整个星球炸开。^[7]

太阳系固体表面观察到的撞击坑的尺寸动态范围很大，从微小的微米级的撞击坑到数千公里的巨大盆地。赫歇尔陨石坑是土卫一上最大的陨石坑，直径D≈130公里，而第二大陨石坑是D≈51公里，几乎小了3倍。其他星球上也有很多有名的陨石坑，比如月球上的爱因斯坦陨石坑、火星的拉贝陨石坑沙丘等等。^[39][40]

基于卡西尼号影像的撞击坑统计结果显示，土卫一与其他土卫D>80km和D<4km的撞击坑有着非常相似的大小频率分布（其中土卫一的影像分辨率不足以完成D<4km的撞击坑统计），但在4km<D<80km范围的撞击坑分布有所不同，这可能是两种不同大小频率的撞击体造成的。土星卫星上的大坑和小坑体现出不同的前后随半球不对称性分布。^[29]

赫歇尔陨石坑的直径约为130千米，是土星卫星中最大的陨石坑。陨石坑的名称来源于发现土卫一的发现者威廉·赫歇尔。^[34]赫歇尔陨石坑的直径接近于该卫星直径的1/3，其坑缘高达5千米，部分坑底深达10千米，而其中心山峰则高出坑底6千米。如果地球上出现同等比例的撞击坑，则其直径将会达到4000千米，超过加拿大的宽度。^[13]

2010年，围绕土星运行的卡西尼号自动探测器拍摄下了这张大陨击坑的照片。这张增强了对比度的伪彩色照片清楚地显示出，赫歇尔陨击坑的地貌颜色与附近坑坑洼洼的地形颜色略有不同。这种颜色差异可以为土卫一遭遇剧变的过去提供表面成分线索。^[34]卡西尼号科研组表示，这个陨石坑的产生，可能对土卫一表面的环境变化造成了巨大影响。^[33]只要撞击力度比造成这颗小卫星上的撞击坑再稍大一些，土卫一将完全毁灭。在这幅由卡西尼号于2016年10月所拍摄的影像中，这颗同步自转卫星远离土星的那半球都沐浴在阳光中，它的巨大撞击坑则位于右侧边缘附近。另外，在撞击坑底部投射出长长暗影的赫歇尔撞击坑的中央山峰几乎与地球上的珠穆朗玛峰一样高。^[41]

基于卡西尼号影像数据，识别了土卫一赤道一带的小坑（土卫一：1.2km<D<13.5km），均没有发现明显的前后随半球不对称性。这些观测结果都支持土星卫星上的大坑（D>20~30km）来自日心小天体撞击源，而小坑（D>20km）来自行星碎屑物。不过土卫一小坑的前后随半球分布明显受到赫歇尔撞击坑溅射物的影响。^[29]

国际期刊《地球物理研究快报》和《地球物理研究杂志：行星》上发表了对于土卫一上巨大陨石坑赫歇尔的一些相关研究。《地球物理研究快报》中以土星最小的规则卫星土卫一上的赫歇尔陨石坑为主，调查撞击结构并开发一个框架来确定大陨石坑相对于较小陨石坑的 SFD （尺寸频率分布）是否异常。最后证明赫歇尔陨石坑的存在并不是异常现象。^[39]

《地球物理研究杂志：行星》研究了土卫五、土卫八和土卫一上的陨石坑，探讨了它们表面的陨石坑数量、卫星之间陨石坑的变化趋势，不同研究人员对陨石坑的研究方法及陨石坑对外太阳系物体形成的启示。^[42]

土卫一最初是圆形的轨道，由于临近的土卫二和土卫三的引力影响，土卫一遭受到了强烈的轨道扰动。由于三者的相互作用，它们进入了轨道共振状态。土卫二和土卫三的引力定期反复的施压到土卫一上，最终轨道变成了椭圆形。^[10]

通过卡西尼航天器拍摄的图像，研究人员能够极为精确的计算土卫一的轨道运动，误差只有几百米，以便后续研究。^[10]

意大利裔法国籍天文学家乔万尼·多美尼科·卡西尼（1625-1712）在光环中发现了一个较宽的环缝。后来称这一环缝称为卡西尼分界线。这一分界线的宽度大的有4800km，它是通过一个或多个土星卫星对光环粒子施加的万有引力而产生的^[43]。当视宁度（Seeing）比较好的时候，即使是小型天文望远镜也能在土星环中看到土星环中最宽的卡西尼缝。它将土星环分成了A环和B环。天文学家发现，土卫一离土星最近，影响到了土星环的形状，卡西尼环缝中的天体的轨道周期恰好是土卫一轨道周期的一半，也就是说，卡西尼环缝中的天体与土卫一形成了1：2的轨道共振关系。所以是不稳定的。轨道共振现象（Orbital Resonance）是说当两个天体的公转周期之比为有理数时，会出现周期性的引力作用，就像荡秋千时不断在同一个位置施加推力，长此以往产生积累性影响，从而导致轨道的不稳定。^[1]

土卫一还像一个“环保卫士”一样，清理土星A环和B环之间的空隙——卡西尼环缝中的物质。卡西尼环缝内缘的颗粒公转完两周，土卫一正好公转完一周。卡西尼环缝中粒子与土卫一周期比为1：2，环粒与卫星就经常在某个固定方位上相遇，环粒运动就会受卫星的严重摄动而离开环缝。卫星扫荡环粒子而使它离开，使这些地方无环粒而成环缝。^[15]

土卫一的结构是一个国际研究队伍基于美国“卡西尼”土星探测器的观测数据，进一步分析了土卫一的内部构造所得。土卫一主要由水冰组成，少量岩石。^[7]收集的证据构建立的模型表明土卫一有三个主要层：最外层是冰层、然后是地下海洋层，最里面是其内核。在土卫一表面以下20千米至30千米处存在海洋^[10]。

土卫一海洋的发现归功于卡西尼号土星探测器的数据。卡西尼号对土星及其卫星进行了十多年的细致研究。通过仔细研究土卫一轨道上的细微变化，研究人员才得以推断出隐藏海洋的存在，并估计出它的大小和深度。^[18]

2017年发布在Science News的一项研究计算表明，液态水的海洋可能不会潜伏在土星的卫星土卫一的冰面下。早在2014年，科学家就提出了海洋存在说，来帮助解释卫星轨道上的奇怪抖动。其他的海洋卫星，如木卫二和土卫二则被强烈的潮汐作用下，形成了纵横交错的裂缝，导致其海洋向外膨胀。土卫一虽然布满火山口，但缺乏任何这样的裂缝。^[44]

2022年发表在ICARUS一篇期刊上计算了存在海洋的土卫一内产生的潮汐加热，并确定了由此产生的冰壳厚度。发现土卫一在海洋上空容纳24-31公里冰壳的能力取决于冰的流变性，表面温度和基础热通量。认为土卫一缺乏与木卫二和土卫二等其他含海洋卫星上观察到的地质活动，如果的确存在海洋的话会很让人惊讶。还通过评估观测数据进一步讨论了土卫一存在海洋的可能性。^[45]

2024年2月7日，由巴黎天文台学者Valery Lainey领导的国际研究团队发表于《自然》的期刊表明土卫一的冰层下有一个全球性海洋。其研究基于卡西尼号的高精度测量数据，并使用动力学模型对土卫一的内部结构进行模拟。^[19]研究者计算出，海洋位于冰壳下方约20~30公里深处。模拟表明它出现于2500万至200万年前。因而这一地下海洋的迹象还来不及在表面留下痕迹。这些结果表明，土卫一海洋发生的过程可能常见于其他冰星球的早期形成阶段。此前的研究还对土卫一的内部提出了两种可能：一种是拉长的岩石核心，一种是全球海洋。Lainey和同事的分析揭示了土卫一内部影响其自身自转运动和轨道的变化。应用固体模型时，岩质核心需拉长，几乎呈薄饼状，这与观测不符。但对土卫一位置的测量表明，用内部海洋的影响能更好地解释它的轨道情况。^[46]

土卫一内部海洋的发现对于认识和研究星球上的海洋具有重要意义。土卫一作为海洋卫星的地位将为其形成和演化模型提供参考，这对土星环和中型卫星的年龄和来源以及潜在宜居海洋卫星的研究发现有普遍影响，特别是在天王星。^[45]土卫一的海洋形成时间不久，因此为了解海洋形成的早期阶段和生命出现的可能性提供了一个窗口。这一发现对了解地外生命的可能性也具有重要意义——即使是看似不活跃的小卫星，也可能隐藏着能够支持生命必要条件的海洋。^[18]

《星球大战4：新希望》（Star Wars：Episode IV - A New Hope），是科幻电影《星球大战》系列的第四集，于1977年5月25日上映。影片讲述了主角卢克·天行者走上绝地武士之路的冒险历程。其中代号为死星（帝国DS-1型轨道战斗太空站）神似土卫一。^[47][41]但第一次对土卫一的探测是在1979年先驱者11号发射以后，在这之前并没有相关照片传回。^[16]

詹姆斯·坎比亚斯写的科幻小说《生意之道》涉及到土卫一等一系列土星卫星。书中土卫一是土星上层大气氦气开采作业的后勤基地。那里有能把载荷直接抛往地球的大质量驱动器在火星轨道以外，进出土卫一的运输量比任何其他地方都大。^[48]

德国新世纪环境类音乐“Reasonandu理性”组合的作品：《Mimas土卫一》。原创作者Reasonandu在新签约唱片公司Melusine Records发行的最新专辑，该专辑共13首音乐，（土卫一）是序号8。^[49]