地球只有一颗天然卫星,木星的卫星为什么那么多?

2019-10-17 08:33新浪科技 (任天)

北京时间10月17日消息,地球只有一颗天然卫星,但有几十颗天然卫星围绕着木星旋转。作为太阳系中最大的行星,木星一向以卫星数量众多著称,并且不断有新成员被发现。2018年7月16日,天文学家宣布,他们又发现了12颗此前不为人知的木星卫星。

美国卡内基科学研究所的斯科特(Scott S。Sheppard)领导了这项研究。他和同事们原本在进行另一项研究,试图在遥远的柯伊伯带寻找新天体,即传说中的太阳系第九大行星“Planet X”。柯伊伯带是海王星轨道外侧一个天体密集的圆盘状区域。在搜索新天体可能存在的区域时,谢泼德和同事们意外发现木星刚好在搜索范围附近,于是他们决定暂时搁置原先的研究目标,转而暂时观察一下木星。

木星卫星的各种分类,新发现的卫星轨道以粗线显示。图中绿色线显示的是一颗特立独行的卫星Valetudo,以罗马神朱庇特的曾孙女命名。它穿梭于逆行卫星的轨道间,但本身轨道是顺行的。

对木星卫星的观察可以追溯到伽利略的时代。1610年,伟大的天文学家伽利略注意到有4个天体似乎在围绕着木星旋转。后来它们分别被命名为艾奥(Io,木卫一)、欧罗巴(Europa,木卫二)、盖尼米德(Ganymede,木卫三)和卡里斯托(Castillo,木卫四)。这4颗卫星是最早被发现的木星卫星,在分类上属于木星的主卫星群,又被称为伽利略卫星。它们的半径比任何矮行星都大,是太阳系中除太阳和八大行星以外最大的天体。木卫三是木星卫星中最大的一颗,其直径甚至大于水星。随着观星技术变得越来越先进,人们又发现了这4颗卫星的更多同伴。谢泼德的研究小组确认了12颗新的卫星,使木星的卫星总数已经达到79颗。值得一提的是,这12颗新卫星都十分袖珍,大小几乎都在1至2公里。

在太阳系中,还没有其他行星能达到这个数字。土星紧随其后,已知有62颗卫星;天王星有27颗卫星,海王星有14颗卫星。地球的邻居火星,拥有两颗卫星:福波斯(Phobos,火卫一)和得摩斯(Deimos,火卫二)。相比之下,地球只有一个月亮,而水星和金星完全没有卫星,这或许能让地球人稍感安慰。

木星拥有如此多的卫星,而其他行星的卫星却如此之少,这其中的原因都要归结于引力。

引力的影响

天文学家将太阳系内的行星分为两类。水星、金星、地球和火星是所谓的“类地”或“内行星”,而木星、土星、天王星和海王星则被归类为“气态巨行星”,也被称为“外行星”(越来越多的科学家认识到,天王星和海王星是一类独特的巨行星,称为“冰巨行星”)。

这两个类别之间有着相当大的规模差距。虽然天王星是最小的外行星,但它的质量仍然是地球的15倍,而地球是最大的内行星。然而,就体积而言,没有其他行星能与木星匹敌。在质量上,木星的质量是太阳系其他行星质量总和的2.5倍,也是地球质量的300多倍。这绝对是个怪物。

正如牛顿所观察到的,物体的质量与其引力场的强度之间存在正相关关系。由于气态巨行星具有惊人的质量,它们便能够吸引更多的卫星。不过,这并不是像木星这样的行星拥有如此多卫星的唯一原因。太阳系的气态巨行星距离太阳相对较远。与之相比,一些恒星拥有巨大的类木行星,称为“热木星”。基本上,这些系外气体巨行星的轨道往往离恒星很近,你可以想象一下土星和水星互换位置的场景。

法国天文学家法特希·纳穆尼(Fathi Namouni)在2010年发表的一篇论文中指出,热木星几乎没有卫星。有天文学家认为,热木星可能起源于恒星系的冻结线(由母恒星中心向外起算,能让水、氨、甲烷等挥发物质凝聚为固体冰粒的最小距离)以外,然后向内迁移。在迁移过程中,它们的卫星会陷入一场天体拔河游戏。气态巨行星的质量虽然很大,但恒星要大得多。因此,当热木星太接近其母恒星时,拥有更强引力场的恒星最终会偷走它的卫星。

距离会抵消引力的作用。当行星离太阳越远,其对行星的引力就越弱。因此,如果纳穆尼的观点是正确的,那么木星拥有的卫星数量将不止79颗,应该还会不断增加,因为这是一颗巨大的气态行星,距离太阳足够远,可以避免卫星被剥夺。

木星的卫星并不是千篇一律的。其中有一些卫星具有天文爱好者们津津乐道的特征,比如木卫一上布满了活火山;木卫二上存在一个隐藏的海洋,那里可能有外星生命;木卫三有火星的三分之二那么大,是整个太阳系最大的卫星。

这三颗卫星,连同木卫四,很可能是与木星一起形成的。这颗巨大的行星最初可能是由气体和尘埃组成的圆盘,逐渐演变成我们今天所知道的气态巨星。当木星成形时,围绕它旋转的一些物质合并成了伽利略在1610年发现的4颗卫星。土星可能推动了它们的形成。也有人猜测,早期的木星曾有更多的卫星,后来逐渐被这颗巨大的行星吸引和吸收。

还有一些卫星不一定是与木星同时形成的。科学家认为,木星的许多卫星一开始都是大块的太空岩石,是被木星的引力吸引而漂移过来的。

木星卫星的行为也很有趣。许多卫星与木星旋转的方向相同,但也有与之相反的情况,包括谢泼德和同事所发现的12颗新卫星中的9颗。这么多卫星朝不同方向旋转,碰撞是不可避免的。卫星可能会在碰撞过程中被摧毁,因此,就在木星获得新卫星的同时,也在失去一些原有的卫星。

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