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2021-09-18 11:11
土星、木星为什么能有几十颗卫星?

本文来自微信公众号:中科院之声(ID:zkyzswx),作者:王铮,题图来自:视觉中国


大家可能听说过木星、土星个头比咱们地球大很多,而且有不止一颗的天然“卫星”,俨然一个个小的星系。那么,你知道他们都有几颗卫星吗?


人类已经知道的土星卫星差不多有82颗。而且随着观测手段和精度的提高,还可能有其他未发现的卫星!而木星与之相似,今年6月份,根据报道,一位业余天文学家发现了一颗新的木星卫星。虽然它还没被正式命名,但它将使木星的卫星数量达到80颗。


它们怎么家族都这么庞大?


木星最先被发现的几颗卫星


什么叫“卫星”?


所谓天然的卫星(Moon,也即是月亮的英文),是围绕行星(比如地球)运行的星球,而行星是围绕恒星(比如太阳)运行的星球。


与行星、矮行星确定的定义不同,卫星其实没有要求球形的形状,也不需要清空轨道上的其他天体。卫星主要的要求就是要在轨道上环绕着行星飞行,而不能绕太阳这样的恒星飞。这主要是物体在万有引力作用下飞行速度方向的改变,转过的弧线与地球这个圆球一致。


咱们地球只有月亮这一颗卫星,相邻的火星有两颗,但“气态行星”木星和土星的卫星非常非常多,刚才说了,它们都超过80颗。


这些卫星里,个头大的就像咱们地球一样是一颗宏大的星球,小的可能就是一个奇形怪状的巨石。例如下边这张照片是卡西尼飞船于2012年7月23日在距离土卫四星球26万英里(约42万公里)处拍摄的。这颗星球平均直径为1118千米,主要由冰组成。从照片可以看到,它的表面有峡谷、线条(卡西尼飞船拍摄到其可能是冰悬崖)和撞击坑,是一颗有着丰富地貌的星球。


卡西尼飞船探测拍摄的土卫四照片


第80颗木星卫星是怎么发现的?


前文我们提到的这位叫做Kai Ly的朋友,在本次发现之前,就曾利用3.6米加法夏望远镜(CFHT)在2003年观测的数据,识别出一些曾经被发现、但已经丢失了位置记录的木星卫星。


今年6月份,他开始检查摄于2003年2月的图像,当时正处于木星冲日时期,也是其卫星最明亮的时候。他检查了在2月24日晚上不同时间中覆盖同一天区的三张观测图像,发现当晚有3个目标点——3颗可能的未发现卫星——以每小时13到21角秒的速度移动。


Ly进一步在其他时间的图中发现其中某颗卫星(被Ly称为EJc0061),并由此建立了一条时长为22天的弧线轨迹,表明该星体与木星存在联系。从那以后,高精度的轨道预测和星历表使他可以探索2003年以后的观测记录。后来他观测到越来越多的验证结果,例如从2018年的结果中,他在预测的卫星位置附近找到了它,这颗微弱的卫星视星等在23.2到23.5之间。


最终,他根据为期15.26年(5574天)内的76次观测记录绘制出了这颗卫星的轨道线,看上去它的轨道在几十年内都会是稳定的。夏威夷大学的David Tholen表示,这些数据几乎完整记录了这颗卫星8个轨道(周期为1.9年)的运动,足以证明它是一颗木星的卫星。


2021年6月30日,Kai Ly向小行星邮件列表(Minor Planet Mailing List)报告了这一发现,并将其提交给小行星电子通报(Minor Planet Electronic Circular)发布。这便是木星的第80颗卫星。


土星、木星卫星多达几十颗,有哪些可能的原因?


那么,土星、木星为什么有那么多卫星,而地球却只有月亮这一个?我们可能会说:因为它们个头大啊!并且它们的质量也大!不过,同在太阳系的其他星球,例如火星和冥王星比地球要小,却都有两个甚至更多的卫星。土星质量大确实对它的卫星多有帮助,但也只是因素之一。这个问题非常复杂,这里我们简单的介绍一些科学家们提出的可能的原因。


首先,太阳系形成过程中形成了大大小小的天体(当然都远远没有太阳大),一个小天体距离太阳越近,其活动的空间越小,能够遇到其他大的行星吸引它变成卫星的机会也越小,并且我们也很清楚离太阳越近太阳的引力越大,所以这个小天体更大的可能是围绕太阳成为一颗行星或小行星,而不是卫星。就好比水星个头和月亮接近,但水星因为直接受到太阳更大的吸引力、围绕太阳旋转所以是一颗行星。


太阳系的“冻结线”在小行星带附近


其次,离太阳越远,围绕太阳的圆周的周长、面积就越大,在太阳系早期该轨道沿途所容纳的宇宙尘埃也越多,它们所汇聚成的小星体也多。


另外,在大约火星和木星轨道之间的“冻结线”(Frost line)位置,由于太阳加热效果,线以内水、氨和甲烷等只能以液态或气态存在,不能形成天体;但这条线以外,这些成分则可以凝固成固体,从而成为天体的组成部分。如果有质量大的行星离它们很近,近处的吸引力大于远处的太阳,星体就能被行星吸引成为卫星。冻结线位置呢?这里就形成了著名的小行星带。


土星和木星不但自己所处的位置尘埃多(他俩都拥有由尘埃和碎石构成的环),而且离柯伊伯带(Kuiper belt)比较近,那是由数十亿颗在海王星轨道之外绕行的小型冰体构成的碟形带(冥王星就属于个头较大的柯伊伯带天体),偶然捕获到来自柯伊伯带天体使其成为卫星的机会比较大。因此,土星和木星的卫星的“原料库”也非常大。


柯伊伯带(Kuiper belt)示意图


当然这里还是要说到土星或者木星“个头大”的问题了。土星的体积是地球的745倍,质量是地球的95.18倍;而木星是太阳系最大的行星,在太阳系的星球中,它的尺寸仅次于太阳,体积是地球的1316倍,质量是地球的318倍;显然,它们对小天体的吸引力要比地球大得多。


结合它们到太阳的距离,可以计算得到参数“希尔球”(Hill Sphere),这个参数表征了在星球周围引力平衡的状态下、能够容纳卫星的球形空间半径有多大,简而言之,就是希尔球越大,能容纳卫星越多。感兴趣的朋友可以搜索一下。木星的Hill Sphere直径比地球的Hill Sphere直径大了将近百倍。


并且,还有一种理论,土星和木星的质量很大,特别是木星,小天体在被木星吸引的天体靠近它到名为“洛希极限”(Roche limit)的位置时,会被潮汐力撕裂解体留下较坚固的内核部分,表面逐渐累积松散的土星光环物质(宇宙尘埃等),慢慢变大最终形成卫星。之前全国流行的科幻电影《流浪地球》就提到了洛希极限和撕裂星球的问题,虽然电影里使用的洛希极限数据不够准确。


木星、土星会不会还有更多的卫星?


目前太阳系这些行星的卫星就已经有200颗左右了。随着望远镜的进步,天文学家们无疑会发现更多围绕木星和土星转动、但体积更小的卫星。一些学者推算,它们都可能有几百个、甚至更多的卫星,例如来自加拿大的天文研究团队通过观测结算后,认为光是木星的周围可能存在着600颗左右的候选卫星,而且直径都在800米以上。


这样会带来另一个问题——多大的天体才能算得上是卫星,现在没有一个准确的数据范围,等到太阳系又多出来几百、几千颗的卫星的时候,应该就要讨论一下了。有学者认为,卫星也会像行星分出矮行星那样,出现新的划分标准线。


在实践中,天文学家只会把他们可以确定运转轨道的天体算作卫星。例如,大家可能好奇,木星环、土星环里面不是有很多碎片吗,算不算卫星?从上边的界定方法来说,环里的砂砾、大颗粒不会被算成是卫星。


本文来自微信公众号:中科院之声(ID:zkyzswx),作者:王铮

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