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谈起卫星的起源，人们首先想到的就是月球。月球是地球唯一的天然卫星，是距离我们最近的天体，也是卫星家族中最有代表性的一员。因此，探索卫星的起源，必须从月球开始。  关于月球的起源，历来是天文界关注的话题，为了探究月球的形成过程，天文学们提出了许多假说，其中较著名的有地球分裂说、俘获说和同源说。 分裂说认为，月球是从地球上分离出去的。四十多亿年前，地球尚处在高温熔融状态，自转速度很快，在离心力的作用下，有一团物质从赤道被抛射出去，于是形成了月球。太平洋就是月球分裂出去后留下的残迹，月球的体积与太平洋水的体积相差无几，这就是证据。 分裂说一经问世即遭到了人们的质疑。根据旋转物体的运动规律，月球的位置应该处在地球赤道面上，而实际情况却并非如此，月球的轨道面与地球的赤道面并不重合，而是存在着一定的夹角。另一方面，研究人员曾作过计算，在地球诞生之初，它的自转速度仅比现在快4倍，以这样速度所产生的离心力，不足以抛出一个像月球这么大的星球。鉴于以上的原因，分裂说渐渐为学术界所否定。 继分裂说之后，又有一些天文学家提出了俘获说。俘获说认为，46亿年前，当太阳系从一大团星云物质脱胎而出时，月球和地球分别处在相去甚远的不同部位，它们由所在位置的不同物质而形成。月球原先很可能是一颗小行星，在它围绕太阳运动的过程中一度接近地球，被地球引力所俘获，而成为地球的卫星。 俘获说最有力的证据就是月球的物质构成，科学家们通过对月球的研究发现，月球和地球的化学成分大不相同，月球的密度只相当于地球密度的五分之三，而与小行星和陨星的密度十分相近。 但是，俘获说也存在着明显的缺陷，地球的直径只是月球直径的3.7倍，像地球这么一颗并不很大的行星，要想俘获像月球这么一颗并不很小的卫星，谈何容易。而且在40多亿年中，还有比地球更大的行星临近月球昔日的轨道，它们的引力比地球大得多，为什么月球没有被俘获走呢？ 鉴于以上的原因，又有一部分天文学家提出了同源说。同源说遵循的是传统星云说理论，这一假说认为，月球和地球是由同一块星云凝聚而成，月球诞生于地球的星子盘中。月球与地球的化学成分和密度之所以不同，是由于原始星云中的金属成分在行星形成之前已先行凝聚成团，地球形成时，便以金属团作为核心，并在其外围吸积了许多密度较小的石物质。月球的形成稍晚于地球，它由地球周围残余的非金属物质凝聚而成，因而密度较小。 同源说虽然比前两种假说能更合理地解释月球的某些特征，但同样面临着一些理论困难。科学家们在化验宇航员从月球采回的岩石时发现，月球岩石的年龄已有46亿年；而在地球上，只有在格陵兰最偏僻的地方才能找到40亿年的石块。这一事实表明，月球的形成时间要比现在地表的形成时间还要久远，同源说无法解释这一事实。 可见，分裂说、俘获说和同源说都无法解释月球所具有的全部特征。那么，月球到底是怎样形成的呢？ 本文在上一节中提出了灾变—俘获说，这一假说认为，月球是在5.8亿年前太阳系的那场灾变中形成的。不仅如此，太阳系中的所有卫星都是在这一时期形成的。灾变—俘获说能很好地解释月球的物质构成、年龄和轨道等各项特征。 首先，月球的物质构成来源于爆炸的“法厄同”星。由于星体爆炸，自引力系统解体，被压缩在星体核心的物质体积急剧膨胀，密度迅速下降，因而由爆炸碎块形成的月球及小行星、陨星等次级天体，其密度必然要低于原行星及地球的平均密度。与此同时，原集结于星体核心的高密度金属物质，随着星体爆炸四散开来，各种化学成分形成不规则分布；而地球上金属物质则聚居于地心处，各种化学元素仍保持着固有的分布状态，所以月球与地表物质具有不同的化学构成。 在年龄方面，由于月球是“法厄同”星的爆炸残块，这些物质形成于太阳系诞生之时，它的形成时间并不会因为“法厄同”星的解体而改变，所以月球上岩石的年龄与行星诞生时间相同，为46亿年。而月球被地球俘获，成为卫星的时间却只有5.8亿年，所以月球岩石的形成时间并不代表月球实际年龄。须要说明的是，在地球上，由于地壳的变迁，地表岩石不间断地发生运动，裸露出来的都是新岩层，所以地表岩石的年龄相对较短，一般不超过40亿年；但这绝不等于说，月球的诞生时间早于地球。 灾变—俘获说区别原俘获说之处在于，原俘获说认为地球是在小行星的轨道上捕获到月球的，据推算这种俘获几率极小。而灾变—俘获说则认为，“法厄同”星爆炸后的碎块广泛分布于各大行星轨道之间，地球之所以能够俘获月球，是因为其中一块爆炸碎块闯入了地球的引力区，顺理成章地形成了地球的卫星，这就克服了原俘获说的理论缺陷。又由于月球是以一定倾角进入环绕地球轨道的，因而月球轨道平面（白道面）与地球绕太阳公转轨道平面（黄道面）自然形成了一定夹角。 月球的形成基于两种因素，一是“法厄同”星的爆炸，为月球的形成提供了物质来源，它属于灾变说理论；二是游离的爆炸碎块被地球引力所吸引，成为围绕地球运动的卫星，这一过程属于俘获说的观点。月球的这一起源假说同样适用于其他卫星，太阳系中所有卫星都是通过灾变——俘获方式而形成的。 太阳系卫星之间存在着很大差别，按体积和质量标准，可将其分为三类。第一类，以月球为代表的直径在3000—5000公里的大卫星，除月球之外，它还包括木星的伽里略卫星（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四）、土卫六和海卫一，它们组成了卫星大家庭中的巨星族。稍微次级的星体为第二类，其直径在1000公里左右，它包括土卫三、土卫四、土卫五、土卫八、天王卫一、天王卫三、天王卫四和冥王卫一。剩余近三十颗卫星，直径都在几十公里到几百公里之间，为第三类卫星。 通过比较可以发现，小行星带内的小行星，直径恰好在二、三类卫星范围之间，体积最大的谷神星直径为800公里，与次级卫星相当。如果把卫星的物质构成和体积分类与小行星联系起来，必将得出这样一种结论：卫星与小行星具有共源性。  火星有两颗卫星，火卫一和火卫二。火卫一三条主直径分别为27、21和19公里，质量只有1亿吨，形状很不规则，宛如畸形的马铃薯，可勉强当作三轴椭球体。火卫二与火卫一情况相类似，三条主直径分别为15、12和11公里，质量比火卫一还要小。这两颗卫星除运行轨道以外，无论是体积还是质量都与小行星相似，它们根本不可能诞生于火星的星子盘。火卫一表面有许多陨石坑，最大的斯蒂尼陨石坑直径达8公里，这说明它在成为火星的卫星之前，就已遭到了陨星的袭击，且具有较强的抗冲击能力。相当普遍的次级陨石坑，说明火卫一的母体质量很大，否则溅起的陨石碎片就无法重新落回星体表面。这一事实再一次地把卫星的起源与“法厄同”星的爆炸联系起来。 通过分析卫星的运行状况，可以进一步了解卫星的形成过程。卫星按其绕行星的转动方向，分为顺行卫星和逆行卫星。顺行卫星的转动方向与行星绕太阳的公转方向相同，逆行卫星的转动方向与行星绕太阳的公转方向相反。在卫星家族中，木卫八、九、十一、海王卫一和天王星的五颗卫星都属于逆行卫星，它们既有规则的巨星族大卫星，又有直径只有几十公里的小卫星。按现代星云说的观点，行星和卫星是由同一块星云凝聚而成，卫星的前身是围绕行星旋转的星子盘，它的转动方向必然与行星的自转和公转方向保持一致。因此在星子盘中只能产生顺行卫星，不能产生逆行卫星。 那么，逆行卫星是如何形成的呢？按俘获说的观点，形成卫星顺行、逆行的关键在于“法厄同”星爆炸碎块的切入点。由于木星和海王星都处在“法厄同”星轨道之外，所以“法厄同”星的爆炸碎块只能由内向外切入这些行星的运行轨道。若星体碎块在行星运动的后方被俘获，那么，它就是一个顺行卫星，其公转方向与行星绕太阳的公转方向相同；若星体碎块在行星运动的前方被俘获，那么，它就是一个逆行卫星，运动情形与顺行卫星正好相反。须要指出的是，行星在俘获卫星的过程中，顺行卫星和逆行卫星的形成几率是等同的，两种卫星在数量上应该是接近的；现存逆行卫星之所以少于顺行卫星，是因为行星在与卫星进行角动量的转换过程中，一部分逆行卫星失去了公转角动量，而被自然淘汰掉了。 在此特别值得阐明的是，天王星逆行卫星的形成过程。天王星是太阳系中唯一躺着绕太阳运转的行星，赤道面与轨道面的倾角为97.92度，就是说天王星自转轴的倾斜角超过了它的轨道面。天王星自转轴的倾斜与外来天体碰撞有关，5.8亿年前，大量的“法厄同”星爆炸碎块进入天王星轨道，其中一块与天王星发生了碰撞，改变了天王星自转轴的方向，使之倒在了公转轨道面上。而与此同时，还有许多碎块在天王星引力的吸引下，形成了天王星卫星。这些刚刚诞生的卫星，由于切入角度不同，因而运动方向各异，有的与行星自转方向相同，有的则与行星的自转方向相逆，不同卫星的公转轨道面与天王星的赤道面存在着不同夹角。然而，在角动量传输原理作用下，凡公转方向与天王星自转方向相同的卫星，将获得公转角动量，其结果是，卫星的轨道面不断地向天王星的赤道面靠拢，轨道半径逐渐增大。而公转方向与天王星自转方向相逆的卫星，将失去公转角动量，轨道半径逐渐缩小。这样，经过几亿年的演化，保留下来的只有公转方向与天王星自转方向相同、且没有摆脱天王星引力束缚的卫星；而公转方向与天王星自转方向相逆的卫星，最终都将坠落于天王星表面。 由于天王星自转轴的倾斜角超过了它的轨道面，且留存下来的卫星公转方向与天王星的自转方向保持一致，因而这些卫星的公转方向必然与天王星的公转方向相反，这就是天王星五颗逆行卫星的由来。 在太阳系行星家族中，以木星的质量最大，且最靠近爆炸的“法厄同”星，土星次之。所以，5.8亿年前，“法厄同”星的爆炸碎块布满了木星和土星的运行轨道。在万有引力的作用下，木星俘获了四个大质量的星体碎块，形成了伽利略卫星；而土星则捕捉到了太阳系中的第二大卫星——土卫六，同时俘获了土卫三到土卫八四个次级卫星。于是，木星和土星各自组建了庞大的卫星系统。也正是由于这两组卫星运行轨道的有规律分布，使得科学家们把卫星的形成与行星联系起来，误以为它们和行星一样，都是在星子盘中形成的。  在太阳系的边缘40天文单位处运行着冥王星，它是人类在太阳系内了解最少的行星。有关冥王星卫星的问题，一直是一个有争议的话题。 1980年，法国天文学家通过莫纳凯阿天文台3.60米望远镜，利用光斑干涉测量新技术，将冥王星的卫星从冥王星中分辨出来。他们得出冥王星的直径为4000公里，冥王星的卫星直径为2000公里。卫星的直径为其主星直径的0.5倍，这在太阳系中是独一无二的。有人认为它们是“双行星”。据美国海军天文台的天文学家计算，冥卫绕冥王星公转一周的时间为6.39天，与冥王星的自转周期相同，即冥王星的卫星永远停留在冥王星天空的一个点上。这是太阳系里唯一具有同步轨道的卫星—行星系统。 然而，1982年美国堪萨斯州立大学地质学家华尔达斯却提出，距离冥王星1.9万公里处的光点，它不是冥王星的卫星，而是冥王星的一部分，是冥王星上的一片甲烷雪块。如果这种判断正确的话，那么冥王星就不是太阳系内最小的行星，而是排行列前的第五大行星。 冥王星到底有没有卫星，这一问题与冥王星的起源有关。按照灾变—俘获说的观点，冥王星诞生于5.8亿年前太阳系的那场灾变。一团夹杂着“法厄同”星爆炸碎块的流星体，在穿越海王星的轨道时，有两个较大碎块被海王星俘获，演变成了海王星的卫星，而余下的部分则继续向太阳系边缘冲去。受天王星和海王星引力的牵引，有一流星体碎块虽没有被俘获为卫星，但运动速度却开始减慢，并在40天文单位处被引力拉回，形成了一个绕太阳旋转的行星。由于这一星体很不规则，在自转离心力的作用下发生断裂一分为二，这就是冥王星和它的卫星。可以说，冥王星的卫星是由行星分裂而形成的，由此也决定了它特有的公转周期和轨道。 通过分析冥王星及其卫星的体积，可以进一步证明这一点。冥王星的体积与月球相近，其直径恰好在巨族卫星范围内，而冥王星的卫星则介于巨族卫星与次级卫星之间，它们的特征都符合灾变—俘获说理论。 如果假设冥王星没有卫星，在1.9万公里处的光点只是冥王星的一部分，即是说冥王星具有2万多公里的直径，那么，冥王星的体积就超出了卫星和小行星的标准行列。这就相当于说，冥王星是按星云说理论形成的标准大行星。而诸多证据显示，这种观点是错误的。 冥王星的发现者、美国天文学家汤博，对冥王星卫星的存在就持有肯定的观点，他说：“冥王星有一个卫星，这使人们更加相信它确实有权作为一个大行星。”看来，冥王星的卫星为冥王星赢来了作为大行星的资格。 卫星虽然与行星相伴，但它与行星的形成却不是同步的，卫星的起源，只是太阳系演化过程中的一段插曲，所有卫星都是5.8亿年前太阳系那场灾变的产物。 |
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