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天体如何划分势力范围和安全距离?

 大科技杂志社 2020-02-22

太阳系的卫星存在卫星吗?

我们都知道地球有一个美丽的卫星,那就是月亮。月亮对于地球非常重要,它为地球阻挡住了各种小天体的撞击。而月亮的引力给地球带来的潮汐变化,对于促进了地球的内循环有着很大的意义。月亮像一个卫士一样的忠诚的守护着我们的地球家园,我们感激之余,不禁会发出疑问:月亮有守卫它自己的“卫士”吗?

答案是否定的,月亮没有属于自己的卫星。而且令人惊讶的是,太阳系目前已被发现的围绕八大行星转动的185颗卫星,没有一颗拥有自己的卫星。也就是说,太阳系内不存在“卫星的卫星”,这是为什么呢?实际上,这是由洛希球决定的。

洛希球,也被称为希尔球,是美国天文学家乔治·威廉·希尔在法国天文学家爱德华·洛希的工作的基础上定义的一个空间——一个天体的洛希球是以天体自身为中心的球形区域,在这个区域内的物体主要受到该天体的引力作用。每一个天体都有自己的洛希球,洛希球相互挤压,但是不会重叠,也就是说每一个天体的引力都有自己单独的势力范围。

我们知道卫星绕着行星转动依靠的是向心力,而向心力就是由引力提供的,所以一个小天体要想成为某一个大天体的卫星,那它必须位于那个大天体的洛希球内。所以我们考虑一个天体是否存在卫星,首先就要思考一下该天体的洛希球有多大。

天体的洛希球有多大?

我们怎么计算一个天体的洛希球的大小呢?如果一个天体(例如地球)质量是m,被它环绕的更大的天体(例如太阳)质量是M,轨道半长轴是a,离心率是e,那么这个天体(例如地球)的洛希球半径r的近似值为:

。经计算,地球的洛希球半径为150万千米,所以地球很轻易的就捕获了距离其只有38万千米的月亮。而如果有某些因素使得月亮摆脱了地球的束缚,并进入太阳的洛希球的话,它就会和地球一样,直接围绕绕太阳转动了。

我们知道直接围绕太阳转动的天体分为三类:行星、矮行星、小行星。那为什么有些天体成为小行星,有些天体成为卫星了呢?其实这与天体所处的空间位置有关。如果这个天体位于行星附近,就不会成为围绕恒星的小行星。这是因为行星形成过程中,把它周围的小天体全部“收编”了,要不吸入怀中,要不就成了它的卫星。只有火星和木星轨道之间,有一个小行星带。据天文学家推测,那个位置由于离火星和木星的距离都比较远,火星和木星都鞭长莫及,但木星的引力对它们产生干扰,所以无法形成一个大一点的行星。另外一个小行星带(彗星带)在八大行星之外的太阳系边缘,即柯伊伯带。

有些人脑洞大开:宇宙飞船有洛希球吗?如果有的话宇航员就可以绕它旋转了。我们假设宇宙飞船有100吨,它在距离地球表面300千米的太空中绕地球飞行,计算得出它的洛希球的半径只有1.2米,比它自身尺寸小的多。有些同学会追着问,那人也会有洛希球吗?答案是肯定的,但人的洛希球也比人的自身尺寸小的多,所以你就不要期待会有一个小东西绕着你转了。与之类似的,科学家们经过计算发现,太阳系内的卫星的洛希球都不大,虽然不至于小于自身,但也没有能力捕获较远距离的天体,这是太阳系内不存在“卫星的卫星”的主要原因。

但是,如果流浪的小天体跑到大天体的洛希球内,小天体就会成为大天体的卫星吗?那得看看是什么情况了,如果距离合适且运动状态合理的话,小天体是有可能成为大天体的卫星的。但如果小天体是从远方高速呼啸而来,暂时“借路”穿过的话,大天体是很难挽留的,也许它还会担心这个小天体会不会迎面撞上自己。还有一种情况,那就是小天体如果离大天体太近,它会被大天体的潮汐力撕碎而摧毁,更不可能成为其卫星。这是为什么呢?这里得提到一个词——洛希极限。

和洛希球一样,洛希极限同样是以法国著名的天文学家爱德华·洛希的名字命名的。爱德华·洛希于1820年生于法国,卒于1883年。除了洛希球、洛希极限外,洛希还提出了洛希瓣、洛希模型等理论,对人类天文学的发展做出了非常重大的贡献。

洛希极限

2019年年初上映的国产科幻大片《流浪地球》,是一部非常优秀的有关星体碰撞的灾难片,它里面就有提到“洛希极限”这一词,细心的观众也许还有印象吧。那什么是洛希极限呢?洛希极限指的是两个天体之间安全距离的极限值,它通常是大的天体半径的2.44倍。如果两个天体之间的距离小于洛希极限,由于潮汐力的作用,小质量天体就会被大质量天体撕裂。

根据万有引力,两个物体的距离越小,它们之间的引力越大。而天体是立体的,由于距离和角度的不同,每个部位受到的引力是不一样大的。当两个天体的距离小于洛希极限的时候,小质量的天体各部位承受的引力差就会变得很大,最终整个小天体会被大天体撕裂成碎片。土星被誉为太阳系最漂亮的行星,有一层十分漂亮的光环在环绕着它,颇具神秘色彩。但其实这个光环就是由土星的潮汐力撕碎的小天体的碎片形成的,里面大概含有数十亿块小块的冰块和岩石。无法想象土星总共撕裂了多少个小天体,可见潮汐力是多么恐怖。

经过计算,地月之间的洛希极限是1.55万千米。如果月球与地球最近距离是1万千米时,它首尾之间的引力大小相差达80%,它就会被地球撕碎并且成为地球的光环了。这对人类也是灾难性的,因为引力具有双向性。如果地月过近,地球也会受到极强的潮汐力,虽不至于撕裂,但会导致地震、海啸等超强自然灾难的发生。

可见,行星之间的运行和人们驾驶汽车一样,保持安全的距离是很重要的。

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