地球只有一顆天然衛(wèi)星 木星的衛(wèi)星為什么那么多？

圖中顯示了圍繞木星運(yùn)行的眾多衛(wèi)星中的 4 顆，這顆行星為什么有這么多衛(wèi)星呢?

　　北京時(shí)間 10 月 17 日消息，地球只有一顆天然衛(wèi)星，但有幾十顆天然衛(wèi)星圍繞著木星旋轉(zhuǎn)。作為太陽(yáng)系中最大的行星，木星一向以衛(wèi)星數(shù)量眾多著稱，并且不斷有新成員被發(fā)現(xiàn)。2018 年 7 月 16 日，天文學(xué)家宣布，他們又發(fā)現(xiàn)了 12 顆此前不為人知的木星衛(wèi)星。

　　美國(guó)卡內(nèi)基科學(xué)研究所的斯科特(Scott S。 Sheppard)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。他和同事們?cè)驹谶M(jìn)行另一項(xiàng)研究，試圖在遙遠(yuǎn)的柯伊伯帶尋找新天體，即傳說(shuō)中的太陽(yáng)系第九大行星“Planet X”。柯伊伯帶是海王星軌道外側(cè)一個(gè)天體密集的圓盤狀區(qū)域。在搜索新天體可能存在的區(qū)域時(shí)，謝潑德和同事們意外發(fā)現(xiàn)木星剛好在搜索范圍附近，于是他們決定暫時(shí)擱置原先的研究目標(biāo)，轉(zhuǎn)而暫時(shí)觀察一下木星。

　　木星衛(wèi)星的各種分類，新發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星軌道以粗線顯示。圖中綠色線顯示的是一顆特立獨(dú)行的衛(wèi)星 Valetudo，以羅馬神朱庇特的曾孫女命名。它穿梭于逆行衛(wèi)星的軌道間，但本身軌道是順行的。

　　對(duì)木星衛(wèi)星的觀察可以追溯到伽利略的時(shí)代。1610 年，偉大的天文學(xué)家伽利略注意到有 4 個(gè)天體似乎在圍繞著木星旋轉(zhuǎn)。后來(lái)它們分別被命名為艾奧(Io，木衛(wèi)一)、歐羅巴(Europa，木衛(wèi)二)、蓋尼米德(Ganymede，木衛(wèi)三)和卡里斯托(Castillo，木衛(wèi)四)。這 4 顆衛(wèi)星是最早被發(fā)現(xiàn)的木星衛(wèi)星，在分類上屬于木星的主衛(wèi)星群，又被稱為伽利略衛(wèi)星。它們的半徑比任何矮行星都大，是太陽(yáng)系中除太陽(yáng)和八大行星以外最大的天體。木衛(wèi)三是木星衛(wèi)星中最大的一顆，其直徑甚至大于水星。隨著觀星技術(shù)變得越來(lái)越先進(jìn)，人們又發(fā)現(xiàn)了這 4 顆衛(wèi)星的更多同伴。謝潑德的研究小組確認(rèn)了 12 顆新的衛(wèi)星，使木星的衛(wèi)星總數(shù)已經(jīng)達(dá)到 79 顆。值得一提的是，這 12 顆新衛(wèi)星都十分袖珍，大小幾乎都在 1 至 2 公里。

　　在太陽(yáng)系中，還沒(méi)有其他行星能達(dá)到這個(gè)數(shù)字。土星緊隨其后，已知有 62 顆衛(wèi)星;天王星有 27 顆衛(wèi)星，海王星有 14 顆衛(wèi)星。地球的鄰居火星，擁有兩顆衛(wèi)星：福波斯(Phobos，火衛(wèi)一)和得摩斯(Deimos，火衛(wèi)二)。相比之下，地球只有一個(gè)月亮，而水星和金星完全沒(méi)有衛(wèi)星，這或許能讓地球人稍感安慰。

　　木星擁有如此多的衛(wèi)星，而其他行星的衛(wèi)星卻如此之少，這其中的原因都要?dú)w結(jié)于引力。

　　引力的影響

　　天文學(xué)家將太陽(yáng)系內(nèi)的行星分為兩類。水星、金星、地球和火星是所謂的“類地”或“內(nèi)行星”，而木星、土星、天王星和海王星則被歸類為“氣態(tài)巨行星”，也被稱為“外行星”(越來(lái)越多的科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，天王星和海王星是一類獨(dú)特的巨行星，稱為“冰巨行星”)。

　　這兩個(gè)類別之間有著相當(dāng)大的規(guī)模差距。雖然天王星是最小的外行星，但它的質(zhì)量仍然是地球的 15 倍，而地球是最大的內(nèi)行星。然而，就體積而言，沒(méi)有其他行星能與木星匹敵。在質(zhì)量上，木星的質(zhì)量是太陽(yáng)系其他行星質(zhì)量總和的 2.5 倍，也是地球質(zhì)量的 300 多倍。這絕對(duì)是個(gè)怪物。

　　正如牛頓所觀察到的，物體的質(zhì)量與其引力場(chǎng)的強(qiáng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系。由于氣態(tài)巨行星具有驚人的質(zhì)量，它們便能夠吸引更多的衛(wèi)星。不過(guò)，這并不是像木星這樣的行星擁有如此多衛(wèi)星的唯一原因。太陽(yáng)系的氣態(tài)巨行星距離太陽(yáng)相對(duì)較遠(yuǎn)。與之相比，一些恒星擁有巨大的類木行星，稱為“熱木星”。基本上，這些系外氣體巨行星的軌道往往離恒星很近，你可以想象一下土星和水星互換位置的場(chǎng)景。

　　法國(guó)天文學(xué)家法特希·納穆尼(Fathi Namouni)在 2010 年發(fā)表的一篇論文中指出，熱木星幾乎沒(méi)有衛(wèi)星。有天文學(xué)家認(rèn)為，熱木星可能起源于恒星系的凍結(jié)線(由母恒星中心向外起算，能讓水、氨、甲烷等揮發(fā)物質(zhì)凝聚為固體冰粒的最小距離)以外，然后向內(nèi)遷移。在遷移過(guò)程中，它們的衛(wèi)星會(huì)陷入一場(chǎng)天體拔河游戲。氣態(tài)巨行星的質(zhì)量雖然很大，但恒星要大得多。因此，當(dāng)熱木星太接近其母恒星時(shí)，擁有更強(qiáng)引力場(chǎng)的恒星最終會(huì)偷走它的衛(wèi)星。

　　距離會(huì)抵消引力的作用。當(dāng)行星離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，其對(duì)行星的引力就越弱。因此，如果納穆尼的觀點(diǎn)是正確的，那么木星擁有的衛(wèi)星數(shù)量將不止 79 顆，應(yīng)該還會(huì)不斷增加，因?yàn)檫@是一顆巨大的氣態(tài)行星，距離太陽(yáng)足夠遠(yuǎn)，可以避免衛(wèi)星被剝奪。

　　木星的衛(wèi)星并不是千篇一律的。其中有一些衛(wèi)星具有天文愛(ài)好者們津津樂(lè)道的特征，比如木衛(wèi)一上布滿了活火山;木衛(wèi)二上存在一個(gè)隱藏的海洋，那里可能有外星生命;木衛(wèi)三有火星的三分之二那么大，是整個(gè)太陽(yáng)系最大的衛(wèi)星。

　　這三顆衛(wèi)星，連同木衛(wèi)四，很可能是與木星一起形成的。這顆巨大的行星最初可能是由氣體和塵埃組成的圓盤，逐漸演變成我們今天所知道的氣態(tài)巨星。當(dāng)木星成形時(shí)，圍繞它旋轉(zhuǎn)的一些物質(zhì)合并成了伽利略在 1610 年發(fā)現(xiàn)的 4 顆衛(wèi)星。土星可能推動(dòng)了它們的形成。也有人猜測(cè)，早期的木星曾有更多的衛(wèi)星，后來(lái)逐漸被這顆巨大的行星吸引和吸收。

　　還有一些衛(wèi)星不一定是與木星同時(shí)形成的。科學(xué)家認(rèn)為，木星的許多衛(wèi)星一開始都是大塊的太空巖石，是被木星的引力吸引而漂移過(guò)來(lái)的。

　　木星衛(wèi)星的行為也很有趣。許多衛(wèi)星與木星旋轉(zhuǎn)的方向相同，但也有與之相反的情況，包括謝潑德和同事所發(fā)現(xiàn)的 12 顆新衛(wèi)星中的 9 顆。這么多衛(wèi)星朝不同方向旋轉(zhuǎn)，碰撞是不可避免的。衛(wèi)星可能會(huì)在碰撞過(guò)程中被摧毀，因此，就在木星獲得新衛(wèi)星的同時(shí)，也在失去一些原有的衛(wèi)星。
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