土星现在有 82 颗已知卫星——为什么我们只得到一颗?

科学家们或许能解释这种惊人的数量。

四颗内行星(水星、金星、地球和火星)总共只有可怜的三颗卫星——你今晚可能会看到的那颗,以及火星的火卫一和火卫二。但一旦越过小行星带,你就进入了卫星之城,已知至少有十几颗冰冷的岩石环绕着每一颗外行星运转。

这仅仅是开始:最近,三位天文学家又发现了 20 颗新卫星,这次是在土星周围。这批新发现稍微打破了太阳系外层力量的平衡,使土星暂时以三颗卫星的优势领先于它的邻居。虽然这个天文竞赛的结果并不重要(如果记录的话,目前是木星:79 颗,土星:82 颗,天王星:27 颗,海王星:14 颗),但这场相当接近的竞赛支持了近期关于这些巨大行星如何捕获如此多卫星的理论。

“这 20 颗新卫星符合这一模式,”加州大学洛杉矶分校的天文学家 David Jewitt 说,他曾在 2004 年协助使用夏威夷毛纳凯亚山的昴星团望远镜观测这些卫星。“它们印证了我们之前的想法。”

由卡内基科学研究所的 Scott Sheppard 领导的团队多年来一直在搜寻太阳系最黑暗的角落,寻找未被注意到的岩石和冰块,协助搜寻第九行星,并于去年定位了 10 颗此前未被发现的木星卫星。他们的研究通常涉及在夏威夷晴朗的夜空中搜寻不明光点,但这些新卫星却出现在了硬盘上。

“斯科特从我几乎已经忘记的旧数据中,又找到了大约 20 颗卫星,”Jewitt 说。

这些新卫星的直径都约为三英里,距离土星的远大于其更大更著名的卫星,它们与其说是绕着土星转,不如说是围绕着土星跳舞。在如此远的距离,土星的引力变得很弱,因此木星甚至太阳都会将这些卫星拉入弯曲的轨道,而不是简单的闭合椭圆。为了确认跨越多年观测的各种光点正在勾勒出围绕土星的这些复杂路径,Sheppard 编写了计算机程序,将历史数据与复杂的轨道力学预测进行匹配。

该团队发现,大多数新卫星与以前已知的卫星族群中的旧卫星汇合。其中 17 颗以逆向轨道绕行,与土星的自转方向相反,几乎使一个名为“北欧族”的卫星族群规模翻倍。有两颗则顺着土星自转,但以一个倾斜的 46 度角运行,将它们归入“因纽特族”。剩下的那颗卫星似乎在独立运行。天文学家预计,这两个族群最初是更大的卫星,最终分裂成更小的碎片,现在这些碎片遵循相似的轨道。喜欢卫星并对命名新卫星感兴趣的人,可以将他们在北欧、因纽特和高卢神话中最喜欢的巨人提交给卡内基科学研究所考虑

它们共同的一个特点是,它们都不是土星系统的“原住民”。那些与母星一同在早期太阳系尘埃中形成的卫星,通常拥有整齐的圆形轨道,紧密贴合行星的赤道。这些“规则卫星”包括内太阳系的三颗卫星,以及小行星带以外的著名卫星,如木卫二(木星)土卫二(土星)土卫六(土星)。然而,近年来发现的卫星都是“不规则卫星”——是在经过时被捕获的前小行星和彗星。

according to Jewitt。根据 Jewitt 的说法,虽然土星今天在卫星数量上领先,但它的头衔可能取决于远处行星上是否还有难以看到的卫星。考虑到距离的限制,这些冰冷的巨行星可能会有出色的表现。“我们发现,木星、土星、天王星和海王星拥有大致相同数量的不规则卫星,”他说,并补充说,在天文学意义上,50 和 100 可以被认为是大致相同的数字。

“说到卫星的确切数量,说实话,谁在乎呢,” Jewitt 说。“这在科学上并不重要。”

真正重要的是,相似的卫星数量能够揭示塑造我们太阳系的力量和事件。

即使是像土星和海王星这样的巨行星,也很难将一颗高速飞行的彗星减速到足以被捕获并“驯化”的程度。多年来,天体物理学家推测,这些捕获发生在气态巨行星形成初期。也许它们早期的大气层又大又厚,摩擦力会让 incoming 的岩石俯冲到稳定的轨道上。另一种理论认为,巨行星一次性吸入了大量的气体,导致它们的引力在天文瞬间膨胀,从而轻易地捕捉到附近的任何物体。但如果冰巨星,它们经历了完全不同的童年,也捕获了大量不规则卫星,那么理论家就需要一个更普遍的“捕获岩石”理论了。

Jewitt 和他的同事们倾向于一个“三体舞”的解释。当两块岩石在土星附近相互飞过时,其中一块可能会绕着另一块飞行,导致第一块岩石被甩开,而另一块则减速并被捕获。这种所谓的“三体相互作用”可以解释所有四颗外行星周围不规则卫星的丰富性,因为它可以在任何地方发生。

嗯,几乎任何地方。很少有卫星围绕地球及其近邻运行,因为它们的引力范围与外行星相比微不足道。除了相对较轻之外,内行星之间也挤得很紧,所以即使地球试图通过三体相互作用将一个“朋友”带回家给月球,一次来自火星的经过也可能将其甩飞。“稳定的轨道基本上在类地行星周围不存在,” Jewitt 说。

这批新卫星证实了土星很容易发生此类捕获,但如果我们曾经想要地球-月球家族的新成员,我们只能“领养”了

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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