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卫星会有卫星吗?

为何不可?两名美国天文学家提出了疑问。这个仅在理论上存在可能的情形确实会发生!是的,一颗行星可以有卫星,卫星也能有自己的子卫星。就从地球的卫星月球说起吧。


这问题听上去太过幼稚,很难相信它的确隐藏着一个难题。

“妈妈,一颗卫星还能有自己的卫星吗?”当儿子提出疑问时,美国卡内基科学研究所天文学家朱娜·柯梅尔(Juna Kollmeier)一时语塞。

这确实是个好问题,但鲜有科学家展开相关研究,因为她只找到了寥寥数篇论文:发表于 1973 年的一份研究报告罗列了相关基础条件,还有几篇聚焦月球的文章得出结论的则是几乎不可能有物体绕其转动……就这么多。

于是柯梅尔说服了供职于法国波尔多天体物理学研究所的老同学肖恩·雷蒙德(Sean Raymond),与她一同展开独立的计算和研究。

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结果出人意料:答案是肯定的!诚然,行星距离过近会产生引力干扰,子卫星若要存在需满足极为严苛的条件,但整体结构上它仍有存在的可能性。

也就是说,卫星可以有卫星,或者说“子月亮”(submoon)——这是两人最终采用的称呼。

子卫星的存在与否取决于某个万有引力临界点,即子卫星能在轨道上稳定运行长达数千万年甚至数十亿年。

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事实上,人类已经做到让人造卫星绕月球运行,而后者又同时绕地球转动,但上述状态估计最多只可维持千年。科学家尚无法推算出更长时间运行时四个天体的轨道状况……

“庞加莱最早提出了这一理论构想,”法国巴黎天文台天文学家热雷米·沃巴永(Jérémie Vaubaillon)回忆道,“恒星、行星、卫星三个天体会互相干扰,单是计算三者长期运行的轨道就已经十分复杂,因为诸多不稳定因素层出不穷。再加入子卫星这第四个天体,可以说是乱上添乱。”

这正是朱娜·柯梅尔和肖恩·雷蒙德的研究了不起之处:他们根据天体的常规活动,划定了子卫星运行的稳定区域和不稳定区域。离卫星太远,子卫星就会脱离“希尔球”(Hill sphere),被行星迅速捕获。

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希尔球是一条虚拟界线,它界定了一个天体在面对一个更大天体时所受到的引力影响。若和卫星靠得太近,距离小于洛希极限(Roche limit),子卫星的弹性便无法承受使自身产生形变的机械应力,从而被撕碎。

“因此,子月亮的轨道必须稳定在两个极限之间,最好是运行于该区域内侧:即便可能会受到干扰,但它仍可以安然待上几十亿年。”肖恩·雷蒙德总结道。

随后他找到了一个稳定区域,该区域覆盖希尔球的 50%……这就排除了几乎全部 181 颗绕太阳系行星转动的卫星,要知道其中一些卫星极度受其行星支配,它们的希尔球甚至位于卫星表面之下!

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最后只剩下 4 颗:木星的木卫四,绕土星转动的土卫六和土卫八,以及我们的月球。是的,月球可能拥有——或者说它也许曾经拥有过—— 一颗卫星绕其自身转动。天上有第二个月亮?

目前来说肯定不存在,因为天文学家明确表示,月球周围没有卫星,木卫四、土卫六和土卫八周围也没有——天文望远镜在那些巨行星周围找到过直径数千米的小天体,但就是找不到任何子卫星的踪迹。

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但有迹象表明土卫八曾有过子卫星:这颗卫星的赤道上耸立着一座奇怪的山脉,宽 20 千米,高 13 千米,绵延长达 1300 千米,可能是由一颗子卫星的碎片坠落所造成的。这颗多孔且结冰的子卫星大约直径 200 千米,在围绕土卫八旋转了数百年或者数百万年后,最终因为打破洛希极限而被撕碎……原因何在?

或许是因为这类子卫星材质不匀,无法长期保持稳定状态。“实施阿波罗计划后,人们意识到月球的内部构造根本谈不上均质。重力位取决于它所处的轨道位置。而且月球轨道绝非封闭、完美的椭圆形。”热雷米·沃巴永指出。

无法与行星同时诞生

或许问题出在子卫星诞生之时。根据英国埃克塞特大学教授马修·贝特(Matthew Bate)于 2009 年所做的数据模拟,在年轻恒星附近遍布气体和尘埃的星周盘上,子卫星似乎无法与行星同时诞生。星周盘滚滚发烫,使得卫星难以形成,物质也无法凝结。

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“子卫星面临同样的问题……甚至更糟,”热雷米·沃巴永解释道,“假如一颗卫星正在轨道上形成,而一个小型星盘凑巧出现在它周围,这个星周盘十分滚烫且太过稀薄,子卫星因而难以形成。就算能形成,它也会快速旋转,并坠落到卫星上。”

因此,大多数卫星是由被行星俘获的小行星变化而成的,但子卫星不会有此遭遇。热雷米·沃巴永指出:“木星体积太大,靠近它的小行星会大幅提高转速,速度大到根本无法停留在卫星周围的轨道上。”

子卫星的诞生还有最后一个可能:撞击。一颗小行星撞起卫星碎片,将其送入太空并使其恰好停留在合适高度,碎片于是重新聚合,形成一颗子卫星,后者能稳定运行长达数十亿年。三位科学家对此达成一致:撞击是最可能的情况。

事实上,月球就是诞生于一次撞击!而根据 2018 年 9 月发表的一项研究,火星的卫星也是因撞击而生。

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在朱娜·柯梅尔和肖恩·雷蒙德看来,虽然现今的太阳系没有子卫星,但很可能曾经出现过,将来也可能再出现。鉴于银河系中有几十亿个行星体系,子卫星铁定存在于某个角落!

这两位天体物理学家已开始着手研究这一问题,他们最近对 Kepler-1625b-I 进行了一次计算,它或许会是迄今发现的第一颗系外卫星(探测尚未得到证实)。

这颗系外卫星围绕着一颗类似木星的星球转动……而它或许还庇护着一颗“系外子卫星”!系外子卫星长什么样?难以言说……“唯一可以肯定的是,它会被卫星和行星的潮汐力拉扯到极限,其内部岩浆于是涌升至表面。”肖恩·雷蒙德评论道。

因此,子卫星所具备的一个重要特质或许就是其表面布满了超级火山!

希望这能满足柯梅尔儿子的想象……

撰文 Benoît Rey

编译 黄雅琴

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