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來源：互聯網

土衛一（Mimas，米瑪斯），又稱死星，平均直徑為397.2公里，是土星的一顆天然衛星。1789年，威廉·赫歇爾（William.HERSCHEL）用望遠鏡發現了土衛一，威廉的兒子約翰·赫歇爾（Sir John Frederick William Herschel）用希臘神話中泰坦族的米瑪斯為其作名。土衛一密度較低（平均密度為1.17克/立方厘米），主要由水冰組成，含少量巖石。土衛一是已知的太陽系中最小的在自吸引作用下呈球狀的天體，并且由于軌道共振作用運行軌道呈橢圓形。土衛一的前半球在低緯度地區存在熱異常，異常是由于表面具有更高的熱慣性。

土衛一上布滿隕擊坑，被冰層覆蓋。其中最大的隕石坑赫歇爾隕石坑，直徑約為130公里，為紀念土衛一的發現者而命名。隕坑中還有個直徑130千米的赫歇爾環形山。在赫歇爾環形山對面，還能看見因撞擊產生的裂縫。在土星系統中，土衛一像一個“環保衛士”一樣不斷清理卡西尼環縫中的物質，使其無環粒成為環縫。而且土衛一離土星最近，由于軌道共振現象就會影響到土星環的形狀。

科學家們先后通過先驅者11號、旅行者1號探測器、旅行者2號探測器以及卡西尼號探測器對土衛一進行觀測和探索。1980年11月12日，旅行者1號拍下了表面凹凸不平的土衛一。卡西尼號對土衛一進行了十多年的研究。之后科學家通過傳回的圖片數據仔細研究土衛一軌道上的細微變化，推斷出隱藏海洋的存在，并估計出它的大小和深度。關于土衛一內部海洋存在證明的研究已經于2024年發表于《自然》。

發現命名

發現

1789年9月17日，天文學家威廉·赫歇爾（William.HERSCHEL）發現了土衛一和土衛二。他如此記錄這次發現：“1789年9月17日，我的四十英尺望遠鏡狀態出色，我發現了第七顆衛星，當時它位于軌道最西側。”土星是太陽系中衛星最多的大行星。從1979年開始，探測器不斷發現新的土星衛星。

命名

1789年9月，威廉·赫歇爾發現了土星的第七顆衛星——土衛一。新發現的衛星是最靠近土星的天體，軌道周期不到1天。威廉的兒子約翰·赫歇爾（Sir John Frederick William Herschel）后用希臘神話中泰坦族的米瑪斯為土衛一作名。1966年以前，人們發現了土星的9個衛星。故天文學家們用柯羅諾斯薩徒爾恩的兒女和侄子的名字來稱呼那9個衛星。名稱都來自古希臘泰坦神話體系。依據里德爾和斯科特的希臘-英語詞典，土衛一的形容詞格為Mimantean（其所有格在拉丁文中為Mimantis，在希臘文中為Μ?μ?ντο?）。在實踐中，英國式的形容詞格如Mimansian或Mimian也較為常見，而更常用的則是短語“of Mimas”。

2019—2021年，科學家通過多部巨型地面望遠鏡的觀測發現，之前因為被認為太小、太暗而無法探查清楚的62個“疑似天體”，都是土星衛星（簡稱土衛），其中一些小個頭的直徑才2.5千米。此前，擁有95顆已知衛星的木星被認為是太陽系中衛星最多的行星。而現在，擁有145顆已知衛星的土星成為最多的行星。土星也是太陽系中衛星數量過百的唯一行星。

探索過程

起源猜想

《世界地質》1986年第四期發表了關于太陽系起源的討論——初論巨量依次分離說，該文提出了關于衛星起源的假說。指出衛星是在行星產生時旋轉運動過程中，從尾部分離甩出來的物質，經過波狀旋轉分離運動產生的。土衛一作為土星的一個衛星，或許也遵守該假說的形成理論。但未有科研研究表明其形成過程。

科學探測

先驅者11號

1979年先驅者11號飛掠土星及其衛星。為后期更復雜的旅行者1號探測器太空飛船展示了安全飛過土星光環的通道。1979年9月1日，先驅者11號飛臨土星21.4萬千米上空對土星及衛星進行探測，拍攝了大量照片。先驅者11號是第一個造訪土星的太空探測器。在它穿過太陽系空間飛行時，也探測了磁場宇宙射線、太陽風和行星際塵埃混合物。在飛越土星的過程中，拍攝了首張極地圖像。還發現了土星的第11顆衛星及第七道光環。

旅行者號

旅行者1號探測器（Voyager1）和旅行者2號探測器（Voyager2）分別于1980年11月和1981年8月飛臨土星。1980年11月13日，旅行者1號探測器距土星云頂12.42萬km處飛過，對土星和衛星詳細探測，發回1萬多張照片和大量科學數據。1980年11月12日，旅行者1號探測器拍下了表面凹凸不平的土衛一。

1981年8月25日旅行者2號探測器也來到土星進行科學考察，發回許多照片和資料。2艘旅行者號探測器獲取了土衛一一半區域1.3~4km的像素影像，可以識別一部分直徑約10km以上的撞擊坑。獲取了土衛一表面75%~95%區域，分辨率高達100~400m像素的影像，大大提升了土衛一的全球分辨率和覆蓋率。

卡西尼號

卡西尼號是美國航空航天局和歐洲航天局共同開發，并于1997年發射的土星探測器。卡西尼號飛船于1997年10月攜帶著惠更斯號飛向土星，2004年12月惠更斯號已脫離卡西尼號飛向土衛六。卡西尼號探測器2010年2月飛越土衛一時，發現土衛一隕石坑左側溫度偏高，溫度達到-180℃，而隕石坑附近以及坑的右側溫度只有-195℃。卡西尼號飛船拍下一幅關于土衛一“米瑪斯”的熱量分布照片．圖片也顯示該衛星熱量分布很不均勻。科學家認為，這是由于其表面構成成分的差異所造成的。土衛一的表面熱成像圖，看起來酷似20世紀80年代的游戲中的人物吃豆人。

卡西尼號從2004年到2017年一直在探索土星系統。最初是為探索土衛六而設計的，但在探測期間也經常將其天線轉向土星的主要無氣冰衛星（土衛一等）。并且創下了從10000公里的近距離飛掠土衛一這個小小的冰雪世界的記錄。2017年1月30日，卡西尼號飛船最后一次近距離飛越土衛一時拍攝了一張照片。當時，卡西尼號的相機朝向接近太陽的方向，距離土衛一只有45000公里。2017年9月，卡西尼號進入土星大氣，就此完成了自己的探測使命。

外觀特征

土衛一的平均密度為1.14克/立方厘米。主要由水冰組成，少量巖石。土衛一是已知的太陽系中最小的在自吸引作用下呈球狀的天體。其表面主要是一個直徑130千米的環形山和赫歇爾隕石坑。

物理性質

形狀

土衛一是太陽系已知的最小巖石球狀體衛星，可以根據自身的引力以及自轉形成球體。但值得注意的是，只有直徑足夠大的天體才會具有球體形態。一般而言較大的天體具有更大的質量和重力，其形狀更接近于完美的球形，如太陽，其極直徑和赤道直徑的差別不到10千米，扁率大概只有900萬分之一，所以形狀非常接近于圓球。比土衛一更小的天體，卻不是球體的了，如土衛七形狀詭異，其直徑約為270千米，自轉周期為混沌狀態。由于潮汐效應的作用，土衛一并不呈標準的球形；其長軸大約比其短軸長10%。從卡西尼號發回的圖片上看土衛一更接近于卵形。

表面

土衛一表面顏色深淺明顯不同。由于土衛一離土星非常近，軌道周期只有0.94天，它同月亮一樣已經潮汐鎖定，從土星光環飄落下來的黑色物質落在土衛一一側，另一側卻得不到，顏色就不一樣。由于位于陽光的陰影中，土衛一朝向土星的半球幾乎是全黑的，邊緣被陽光照亮的部分形成了引人注目的月牙形。實際上它布滿隕擊坑、被冰層覆蓋。

熱慣性

土衛一在可見光下，表面看起來有嚴重的隕石坑，平淡無奇。因此，當對2011年卡西尼號復合紅外光譜儀（CIRS）獲得的數據進行分析時，發現土衛一的前半球在低緯度地區存在熱異常。這個異常區域是一個類似透鏡的形狀，位于土衛一主半球的低緯度地區。它表現為一個夜間溫度比周圍環境更高、白天溫度更低的地區。熱異常區域與土衛一的紅外/紫外表面顏色變暗在空間上相關，并且該區域優先受到高能電子轟擊。白天比周圍環境低約15K。異常的原因被證明是由于表面具有更高的熱慣性。

其表面熱成像圖，看起來酷似20世紀80年代的游戲中的人物吃豆人。當時卡尼西號飛船對土衛一表面的溫差進行了測量后，科學家還提出這種變化可能與表面材料的質地多樣性有關。并解釋說，圖中顯示的這顆衛星上顏色較淺的地方，可能保存熱量的能力比其他地方更好。

環形山

土衛一的表面主要是一個直徑130千米的環形山，名為赫歇爾環形山，為紀念土衛一的發現者威廉·赫歇爾（1738-1822）而命名。它幾乎是整個衛星直徑的三分之一，內壁大約有5千米高，部分底部深10千米，中央山峰在環形山中隆起6千米。土衛一的環形山的密集程度極高，預估它的固態表面早在46億年以前土星系統乃至整個太陽系形成之初即已形成。

裂縫

在土衛一上和赫歇爾環形山相對的一面，有一個被稱為深谷群（chasmata）的大裂縫。可能是由石隕石撞擊之后橫貫星體的沖擊波造成的，這顆隕石的撞擊不僅形成了星球地表最大的隕石坑，還差點把整個星球炸開。

隕石坑

太陽系固體表面觀察到的撞擊坑的尺寸動態范圍很大，從微小的微米級的撞擊坑到數千公里的巨大盆地。赫歇爾隕石坑是土衛一上最大的隕石坑，直徑D≈130公里，而第二大隕石坑是D≈51公里，幾乎小了3倍。其他星球上也有很多有名的隕石坑，比如月球上的愛因斯坦隕石坑、火星的拉貝隕石坑沙丘等等。

基于卡西尼號影像的撞擊坑統計結果顯示，土衛一與其他土衛D>80km和D<4km的撞擊坑有著非常相似的大小頻率分布（其中土衛一的影像分辨率不足以完成D<4km的撞擊坑統計），但在4km土星衛星上的大坑和小坑體現出不同的前后隨半球不對稱性分布。

赫歇爾隕石坑

赫歇爾隕石坑的直徑約為130千米，是土星衛星中最大的隕石坑。隕石坑的名稱來源于發現土衛一的發現者威廉·赫歇爾。赫歇爾隕石坑的直徑接近于該衛星直徑的1/3，其坑緣高達5千米，部分坑底深達10千米，而其中心山峰則高出坑底6千米。如果地球上出現同等比例的撞擊坑，則其直徑將會達到4000千米，超過加拿大的寬度。

2010年，圍繞土星運行的卡西尼號自動探測器拍攝下了這張大隕擊坑的照片。這張增強了對比度的偽彩色照片清楚地顯示出，赫歇爾隕擊坑的地貌顏色與附近坑坑洼洼的地形顏色略有不同。這種顏色差異可以為土衛一遭遇劇變的過去提供表面成分線索。卡西尼號科研組表示，這個隕石坑的產生，可能對土衛一表面的環境變化造成了巨大影響。只要撞擊力度比造成這顆小衛星上的撞擊坑再稍大一些，土衛一將完全毀滅。在這幅由卡西尼號于2016年10月所拍攝的影像中，這顆同步自轉衛星遠離土星的那半球都沐浴在陽光中，它的巨大撞擊坑則位于右側邊緣附近。另外，在撞擊坑底部投射出長長暗影的赫歇爾撞擊坑的中央山峰幾乎與地球上的珠穆朗瑪峰一樣高。

隕石坑可能來源

基于卡西尼號影像數據，識別了土衛一赤道一帶的小坑（土衛一：1.2km土星衛星上的大坑（D>20~30km）來自日心小天體撞擊源，而小坑（D>20km）來自行星碎屑物。不過土衛一小坑的前后隨半球分布明顯受到赫歇爾撞擊坑濺射物的影響。

運行軌道

軌道形態

土衛一最初是圓形的軌道，由于臨近的土衛二和土衛三的引力影響，土衛一遭受到了強烈的軌道擾動。由于三者的相互作用，它們進入了軌道共振狀態。土衛二和土衛三的引力定期反復的施壓到土衛一上，最終軌道變成了橢圓形。

通過卡西尼號航天器拍攝的圖像，研究人員能夠極為精確的計算土衛一的軌道運動，誤差只有幾百米，以便后續研究。

影響土星環

意大利裔法國籍天文學家喬萬尼·多美尼科·卡西尼（1625-1712）在光環中發現了一個較寬的環縫。后來稱這一環縫稱為卡西尼分界線。這一分界線的寬度大的有4800km，它是通過一個或多個土星衛星對光環粒子施加的萬有引力而產生的。當視寧度（Seeing）比較好的時候，即使是小型天文望遠鏡也能在土星環中看到土星環中最寬的卡西尼縫。它將土星環分成了A環和B環。天文學家發現，土衛一離土星最近，影響到了土星環的形狀，卡西尼環縫中的天體的軌道周期恰好是土衛一軌道周期的一半，也就是說，卡西尼環縫中的天體與土衛一形成了1：2的軌道共振關系。所以是不穩定的。軌道共振現象（Orbital 共振）是說當兩個天體的公轉周期之比為有理數時，會出現周期性的引力作用，就像蕩秋千時不斷在同一個位置施加推力，長此以往產生積累性影響，從而導致軌道的不穩定。

土衛一還像一個“環保衛士”一樣，清理土星A環和B環之間的空隙——卡西尼號環縫中的物質。卡西尼環縫內緣的顆粒公轉完兩周，土衛一正好公轉完一周。卡西尼環縫中粒子與土衛一周期比為1：2，環粒與衛星就經常在某個固定方位上相遇，環粒運動就會受衛星的嚴重攝動而離開環縫。衛星掃蕩環粒子而使它離開，使這些地方無環粒而成環縫。

內部結構

土衛一的結構是一個國際研究隊伍基于美國“卡西尼”土星探測器的觀測數據，進一步分析了土衛一的內部構造所得。土衛一主要由水冰組成，少量巖石。收集的證據構建立的模型表明土衛一有三個主要層：最散逸層是冰層、然后是地下海洋層，最里面是其內核。在土衛一表面以下20千米至30千米處存在海洋。

土衛一海洋的發現歸功于卡西尼號土星探測器的數據。卡西尼號對土星及其衛星進行了十多年的細致研究。通過仔細研究土衛一軌道上的細微變化，研究人員才得以推斷出隱藏海洋的存在，并估計出它的大小和深度。

2017年發布在Science News的一項研究計算表明，液態水的海洋可能不會潛伏在土星的衛星土衛一的冰面下。早在2014年，科學家就提出了海洋存在說，來幫助解釋衛星軌道上的奇怪抖動。其他的海洋衛星，如木衛二和土衛二則被強烈的潮汐作用下，形成了縱橫交錯的裂縫，導致其海洋向外膨脹。土衛一雖然布滿火山口，但缺乏任何這樣的裂縫。

2022年發表在ICARUS一篇期刊上計算了存在海洋的土衛一內產生的潮汐加熱，并確定了由此產生的冰殼厚度。發現土衛一在海洋上空容納24-31公里冰殼的能力取決于冰的流變性，表面溫度和基礎熱通量。認為土衛一缺乏與木衛二和土衛二等其他含海洋衛星上觀察到的地質活動，如果的確存在海洋的話會很讓人驚訝。還通過評估觀測數據進一步討論了土衛一存在海洋的可能性。

2024年2月7日，由巴黎天文臺學者Valery Lainey領導的國際研究團隊發表于《自然》的期刊表明土衛一的冰層下有一個全球性海洋。其研究基于卡西尼號的高精度測量數據，并使用動力學模型對土衛一的內部結構進行模擬。研究者計算出，海洋位于冰殼下方約20~30公里深處。模擬表明它出現于2500萬至200萬年前。因而這一地下海洋的跡象還來不及在表面留下痕跡。這些結果表明，土衛一海洋發生的過程可能常見于其他冰星球的早期形成階段。此前的研究還對土衛一的內部提出了兩種可能：一種是拉長的巖石核心，一種是全球海洋。Lainey和同事的分析揭示了土衛一內部影響其自身自轉運動和軌道的變化。應用固體模型時，巖質核心需拉長，幾乎呈薄餅狀，這與觀測不符。但對土衛一位置的測量表明，用內部海洋的影響能更好地解釋它的軌道情況。

土衛一內部海洋的發現對于認識和研究星球上的海洋具有重要意義。土衛一作為海洋衛星的地位將為其形成和演化模型提供參考，這對土星環和中型衛星的年齡和來源以及潛在宜居海洋衛星的研究發現有普遍影響，特別是在天王星。土衛一的海洋形成時間不久，因此為了解海洋形成的早期階段和生命出現的可能性提供了一個窗口。這一發現對了解地外生命的可能性也具有重要意義——即使是看似不活躍的小衛星，也可能隱藏著能夠支持生命必要條件的海洋。

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