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    为什么土星有环,火星没有?火星曾经有以后也有

    2017年05月18日 11:02:03   来源:赛先生公众号

      行星环: 一些行星周围存在有大量细碎的物质块与颗粒汇集成环的形状,环绕着行星,这就是行星环,它们像无数卫星的天然卫星一样,集体绕着行星运转,并保持环的形状。

      洛希极限: 当一个天体围绕另一个天体运动时,与后者中心的距离小到足以被后者撕碎时,这个距离就被称为“洛希极限”。18世纪中叶,法国天文学家洛希首先研究了这个问题,因此以洛希来命名这个极限。有些理论认为,当一个卫星进入行星的洛希极限后,就会被撕碎为行星环。

      太阳系中以环而驰名的星球是土星,木星、天王星与海王星也有环,这四个行星都是太阳系中的气态巨行星。太阳系中另外四个大行星(水星、金星、地球、火星)都是固态行星,它们都没有环。

      不过,如果有人告诉你火星以前也有环,你可能会大吃一惊;如果有人告诉你火星的环在过去几十亿年多次变为卫星又变为环,现在的卫星——火卫一(Phobos)与火卫二(Deimos)——在将来还会变为环,你会更加惊奇。

      那么,凭什么说火星以前也有环呢?这个环怎么来的?它是如何与卫星实现互相转变的?故事要先从火星现在的两颗卫星说起。

      火星的两个卫星

      火星的两个卫星都很小,且形状不规则。火卫一的平均半径只有11.3千米,质量是月球的1000万分之一。火卫一的轨道半径(精确说,是半长轴)为9376千米,是火星半径的2.76倍。

      火卫二更小,其与三环内的北京城差不多大。平均半径只有6.2千米,质量仅为火卫一的七分之一。火卫二的轨道半径为23463千米,是火星半径的6.92倍。

      图1。 火卫一(左)与火卫二(右)的近距离图像(来源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)。

      图2。 火卫一、火卫二与火星距离的示意图(图片来源:Magenta Green/CC BY-SA 3.0)

      尽管火卫一离火星很近,它的轨道半径只有火星半径的大约3倍(相比之下,月球的轨道半径大约是地球半径的60倍),但因为它实在太小,使得火星上因为火卫一遮挡而导致的日食不可能为全食,而只能是偏食和环食,如图3。由于火卫二更小更远,因此它遮挡太阳导致的日食,其阴影比火卫一遮挡时更是小得多。所以我们要感谢月球的大小如此恰当、与地球的距离又如此恰当,使得我们有机会看到日全食。

      图3。 好奇号火星车拍摄下的火星日食,遮挡者为火卫一(来源:NASA)

      火星卫星的起源

      对火星这两颗卫星的起源,此前人们长期以来争论不休,有人认为这两颗卫星是与火星同时形成的;有人认为它们是火星俘获来的;有人认为是一颗较大的天体撞击火星之后,散落到太空中的残骸逐渐凝聚而成的。但前两个模型都无法解释火星卫星系统的特征,最后一个模型虽然更加合理,但无法给出撞击后形成卫星的细节。

      2016年6月,比利时皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)的Rosenblatt等人在《自然·地学》(

      Nature Geoscience)发表了一篇论文,他们用数值模拟给出了撞击后形成卫星的过程。

      根据这个新的数值模拟,在火星形成后1亿年到8亿年之间,一个大小为火星三分之一的行星撞击了火星。

      图4。 原行星撞击火星的艺术想象图。(来源:Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS)

      大撞击发生后,产生的一部分碎片被反弹到空中,形成环绕火星的环,其物质分布很广,直到火星赤道上空很远的范围内。

      根据环中物质与火星的距离,新形成的环分为内环、外环两大部分,内环更靠近火星,外环离火星相对远一些。内环物质的密度比较大,很快形成一个大的卫星,其质量是今天的火卫一质量的1000倍大;在这个新形成的大卫星的引力作用下,外环区域内的物质逐渐凝聚为大约十个小卫星。

      几百万年后,内环形成的大卫星落向火星,外环中形成的大部分小卫星也落向火星,只剩下两颗小卫星,这两个幸存者就是火卫一与火卫二。由于火卫一与火卫二是在低密度的外环中形成的,所以它们的密度比火星密度低。

      图5。 撞击(上左)、形成环(上右)、形成大小卫星(中左与中右)、大卫星靠近火星(下左)、最后留下两个小卫星(下右)(来源:A。 Trinh - Royal Observatory of Belgium)

      在 Rosenblatt 等人的模型中,火卫一与火卫二在形成后就基本不再变化,保持至今。

      “环-卫星-环”的循环转变过程

      在Rosenblatt 等人的论文发表后不久,普渡大学西拉法叶分校(Purdue University,West Lafayette)物理与天文系的Hesselbrock与地球、大气、行星科学系的Minton 进行了新的数值模拟,论文于2017年3月20日发表于《自然·地学》。

      Hesselbrock与Minton的新模拟表明,大撞击之后形成的并不是持续存在到现在的火卫一,而是火卫一的远祖(“前身”),这个“火卫一的远祖”在此后在环状态与卫星状态之间多次循环转变,直到变为现在的火卫一。

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