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2018-03-29

[天文地理]土星有多少颗卫星?为什么那么多?

[天文地理]土星有多少颗卫星?为什么那么多?


卫星是环绕一颗行星按闭合轨道做周期性运行的天体。不过,如果两个天体质量相当,它们所形成的系统一般称为双行星系统,而不是一颗行星和一颗天然卫星。

上期我们讲到土星的卫星土卫四,说到土星拥有非常多的卫星,已确认的已经多达62个;而我们的地球只有一个卫星,也就是月亮。

卡西尼飞船探测拍摄的土卫四照片

卡西尼飞船探测拍摄的土卫四照片

那么,土星为什么有那么多卫星?我们可能会说:因为土星大啊!个头大质量也大!其实不然,火星和冥王星比地球要小,却都有两个以上的卫星。土星质量大确实对它的卫星多有帮助,但也只是因素之一。

关于这个问题是多个复杂因素共同作用的结果,可能最主要的原因是土星到太阳的距离比较远,并且这个距离对这个问题的影响是多方面的。这里我们做一些简单的介绍和分析。

土星和它周围的卫星(亮点)

土星和它周围的卫星(亮点)

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。

其次,离太阳越远,围绕太阳的圆周的周长、面积都越大,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,这些成分却可以凝固成固体,并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。

土星不但自己所处的位置尘埃多(自己还拥有一个尘埃和碎石构成的土星环),而且离凯伯带(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凯伯带天体),偶然捕获到来自凯伯带天体使其成为卫星的机会比较大。因此,土星卫星的“原料库”也非常大。

太阳系的“冻结线”(Frost line)

太阳系的冻结线

当然这里还是要说到土星个头大的问题了。土星的体积是地球的745倍,质量是地球的95.18倍,它的吸引力要比地球大得多。

结合它到太阳的距离,可以计算一个名为Hill Sphere的参数,是关于星球周围引力平衡、能够容纳卫星的空间有多大,限于篇幅就不再讲解了,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,因为木星的质量很大,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。

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