Calling太空｜土星、木星為什麼能有幾十顆衛星？
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作者：
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中國科學院國家空間科學中心
空間天氣學國家重點實驗室
王錚 博士
“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索”，為此，中國科學院國家空間科學中心與中科院之聲聯合開設“Calling太空”科普專欄，為大家講述有趣的故事，介紹一些與空間科學和航天相關的知識。
大家可能聽說過木星、土星個頭比咱們地球大很多，而且有不止一顆的天然“衛星”，儼然一個個小的星系。那麼，你知道他們都有幾顆衛星嗎？
人類已經知道的土星衛星差不多有82顆。而且隨著觀測手段和精度的提高，還可能有其他未發現的衛星！而木星與之相似，今年6月份，根據報道，一位業餘天文學家發現了一顆新的木星衛星。雖然它還沒被正式命名，但它將使木星的衛星數量達到80顆。
它們怎麼家族都這麼龐大？！
木星最先被發現的幾顆衛星（圖片來自網路）
編者按：
所謂天然的衛星（Moon，也即是月亮的英文），是圍繞行星（比如地球）執行的星球，而行星是圍繞恆星（比如太陽）執行的星球。
與行星、矮行星確定的定義不同，衛星其實沒有要求球形的形狀，也不需要清空軌道上的其他天體。衛星主要的要求就是要在軌道上環繞著行星飛行，而不能繞太陽這樣的恆星飛。這主要是物體在萬有引力作用下飛行速度方向的改變，轉過的弧線與地球這個圓球一致。
咱們地球只有月亮這一顆衛星，相鄰的火星有兩顆，但“氣態行星”木星和土星的衛星非常非常多，剛才說了，它們都超過80顆。
這些衛星裡，個頭大的就像咱們地球一樣是一顆宏大的星球，小的可能就是一個奇形怪狀的巨石。例如下邊這張照片是卡西尼飛船於2012年7月23日在距離土衛四星球26萬英里（約42萬公里）處拍攝的。這顆星球平均直徑為1118千米，主要由冰組成。從照片可以看到，它的表面有峽谷、線條（卡西尼飛船拍攝到其可能是冰懸崖）和撞擊坑，是一顆有著豐富地貌的星球。
卡西尼飛船探測拍攝的土衛四照片（圖片來自網路）
什麼叫“衛星”？
前文我們提到的這位叫做Kai Ly的朋友，在本次發現之前，就曾利用3。6米加法夏望遠鏡（CFHT）在2003年觀測的資料，識別出一些曾經被發現、但已經丟失了位置記錄的木星衛星。
今年6月份，他開始檢查攝於2003年2月的影象，當時正處於木星衝日時期，也是其衛星最明亮的時候。他檢查了在2月24日晚上不同時間中覆蓋同一天區的三張觀測影象，發現當晚有3個目標點——3顆可能的未發現衛星——以每小時13到21角秒的速度移動。
Ly進一步在其他時間的圖中發現其中某顆衛星（被Ly稱為EJc0061），並由此建立了一條時長為22天的弧線軌跡，表明該星體與木星存在聯絡。從那以後，高精度的軌道預測和星曆錶使他可以探索2003年以後的觀測記錄。後來他觀測到越來越多的驗證結果，例如從2018年的結果中，他在預測的衛星位置附近找到了它，這顆微弱的衛星視星等在23。2到23。5之間。
最終，他根據為期15。26年（5574天）內的76次觀測記錄繪製出了這顆衛星的軌道線，看上去它的軌道在幾十年內都會是穩定的。夏威夷大學的David Tholen表示，這些資料幾乎完整記錄了這顆衛星8個軌道（週期為1。9年）的運動，足以證明它是一顆木星的衛星。
2021年6月30日，Kai Ly向小行星郵件列表（Minor Planet Mailing List）報告了這一發現，並將其提交給小行星電子通報（Minor Planet Electronic Circular）釋出。這便是木星的第80顆衛星。
第80顆木星衛星是怎麼發現的？
那麼，土星、木星為什麼有那麼多衛星，而地球卻只有月亮這一個？我們可能會說：因為它們個頭大啊！並且它們的質量也大！不過，同在太陽系的其他星球，例如火星和冥王星比地球要小，卻都有兩個甚至更多的衛星。土星質量大確實對它的衛星多有幫助，但也只是因素之一。這個問題非常複雜，這裡我們簡單的介紹一些科學家們提出的可能的原因。
首先，太陽系形成過程中形成了大大小小的天體（當然都遠遠沒有太陽大），一個小天體距離太陽越近，其活動的空間越小，能夠遇到其他大的行星吸引它變成衛星的機會也越小，並且我們也很清楚離太陽越近太陽的引力越大，所以這個小天體更大的可能是圍繞太陽成為一顆行星或小行星，而不是衛星。就好比水星個頭和月亮接近，但水星因為直接受到太陽更大的吸引力、圍繞太陽旋轉所以是一顆行星。
太陽系的“凍結線”在小行星帶附近（圖片來自網路）
其次，離太陽越遠，圍繞太陽的圓周的周長、面積就越大，在太陽系早期該軌道沿途所容納的宇宙塵埃也越多，它們所匯聚成的小星體也多。另外，在大約火星和木星軌道之間的“凍結線”（Frost line）位置，由於太陽加熱效果，線以內水、氨和甲烷等只能以液態或氣態存在，不能形成天體；但這條線以外，這些成分則可以凝固成固體，從而成為天體的組成部分。如果有質量大的行星離它們很近，近處的吸引力大於遠處的太陽，星體就能被行星吸引成為衛星。凍結線位置呢？這裡就形成了著名的小行星帶。
土星和木星不但自己所處的位置塵埃多（他倆都擁有由塵埃和碎石構成的環），而且離柯伊伯帶（Kuiper belt）比較近，那是由數十億顆在海王星軌道之外繞行的小型冰體構成的碟形帶（冥王星就屬於個頭較大的柯伊伯帶天體），偶然捕獲到來自柯伊伯帶天體使其成為衛星的機會比較大。因此，土星和木星的衛星的“原料庫”也非常大。
柯伊伯帶（Kuiper belt）示意圖（圖片來自網路）
當然這裡還是要說到土星或者木星“個頭大”的問題了。土星的體積是地球的745倍，質量是地球的95。18倍；而木星是太陽系最大的行星，在太陽系的星球中，它的尺寸僅次於太陽，體積是地球的1316倍，質量是地球的318倍；顯然，它們對小天體的吸引力要比地球大得多。結合它們到太陽的距離，可以計算得到引數“希爾球”（Hill Sphere），這個引數表徵了在星球周圍引力平衡的狀態下、能夠容納衛星的球形空間半徑有多大，簡而言之，就是希爾球越大，能容納衛星越多。感興趣的朋友可以搜尋一下。木星的Hill Sphere直徑比地球的Hill Sphere直徑大了將近百倍。
並且，還有一種理論，土星和木星的質量很大，特別是木星，小天體在被木星吸引的天體靠近它到名為“洛希極限”（Roche limit）的位置時，會被潮汐力撕裂解體留下較堅固的核心部分，表面逐漸累積鬆散的土星光環物質（宇宙塵埃等），慢慢變大最終形成衛星。之前全國流行的科幻電影《流浪地球》就提到了洛希極限和撕裂星球的問題，雖然電影裡使用的洛希極限資料不夠準確。
土星、木星衛星多達幾十顆，有哪些可能的原因？
目前太陽系這些行星的衛星就已經有200顆左右了。隨著望遠鏡的進步，天文學家們無疑會發現更多圍繞木星和土星轉動、但體積更小的衛星。一些學者推算，它們都可能有幾百個、甚至更多的衛星，例如來自加拿大的天文研究團隊透過觀測結算後，認為光是木星的周圍可能存在著600顆左右的候選衛星，而且直徑都在800米以上。
這樣會帶來另一個問題——多大的天體才能算得上是衛星，現在沒有一個準確的資料範圍，等到太陽系又多出來幾百、幾千顆的衛星的時候，應該就要討論一下了。有學者認為，衛星也會像行星分出矮行星那樣，出現新的劃分標準線。
在實踐中，天文學家只會把他們可以確定運轉軌道的天體算作衛星。例如，大家可能好奇，木星環、土星環裡面不是有很多碎片嗎，算不算衛星？從上邊的界定方法來說，環裡的砂礫、大顆粒不會被算成是衛星。
美麗的土星環由許多碎片組成（圖片來自網路）
【來源：中科院國家空間科學中心】
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