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在太阳系中,有没有一颗卫星拥有自己的卫星?为什么?

2020-09-22  茶香飘万里

卫星是指:在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体。

当我们说到太阳系的时候,通常会想到围绕中心恒星运行的行星或其他小型天体,围绕岩石行星或冰冷的巨型气态行星运行的众多卫星。那么在太阳系中还有没有更低一层的天体系统?也就是说,在太阳系中能否拥有围绕卫星运行的小型天体(卫星的卫星或月之月系统)?如果有,它们在哪里?如果没有,这是为什么?

我们首先想一个简单的问题,如果在宇宙空间中有一个质量物体,会发生什么?

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这个问题很简单,一个有质量的物体在它的周围会形成引力场,并使周围的空间弯曲,也使其附近的一切物体都能感受到它的吸引力。如果这个质量物体的引力是唯一起作用的因素,那么我们就可以把任何物体放在一个围绕其运行的、稳定的椭圆形或圆形的轨道上,它会一直这样运行下去。

但是还有其他因素在起作用,包括:

  • 这个质量物体可能存在大气层,或者在它周围有一个弥漫的粒子“光环”,
  • 这个质量物体不一定就是静止不动的,它很有可能会围绕一个轴自转,也许自转的速度还很快。
  • 这个质量物体不一定就是孤立存在的,在它的周围很有可能存在其他的天体。
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第一个因素大气,只有在最极端的情况下才会影响轨道上的天体。正常情况下,一个没有大气的岩石星球,其轨道上的卫星只需要避开它的表面,不与其相撞,就可以永远围绕它运行。

但是,一个星球如果存在厚重的大气层,大气会弥散到非常远的地方,那么近轨道上的天体就会与大气中的原子和粒子撞击,长此以往就会导致轨道速度降低。

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例如我们地球的大气层,虽然我们通常认为地球的大气层有一个”终点“位置,在某个高度以外就是真空空间,但事实是,当我们上升到越来越高的高度时,大气层只会变得越来越稀薄,因此我们无法准确的说,地球的大气到哪个位置“停止”就了,甚至地球的大气都逸散到了月球的位置。

国际空间站的轨道有四百多公里,如果我们不给它提供动力,总有一天它的轨道也会衰减最终坠入地球表面。

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因此在太阳系数十亿年的时间尺度上,无论天体轨道上的物体质量是多少,它们都必须与之保持一定的距离,这样才能“安全”的持续运行。

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第二个因素:任何天体都会自转。这既适用于中心大质量天体,也适用于围绕它运行的小质量天体。经过漫长的岁月,两个质量天体会被潮汐锁定在一起(两个质量天体总是有相同的一面互相指向对方),但有一个“稳定”的质点,例如地球和月球;还有一种情况就是像冥王星和卡戎那样的锁定系统,围绕共同的质心旋转,产生了一个扭矩。换句话说,大多数卫星并不是在理想状态下启动的,它需要经过漫长的岁月才能与中心质量达到一个稳定的旋转系统。

但是我们还需要加入另外一个因素来解决“月之月”这个问题,这个因素才是真正困难的地方。

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太阳系中的天体并不是孤立存在的,这是一个很大的问题。这个天体可能还在围绕其他大行星、或者恒星运行。也就是说,让一个物体围绕在轨道上运行的天体要比让一个物体围绕稳定的单一质量运行困难的多。例如。让一个物体围绕一个行星的卫星,围绕一个大行星的小行星,或者围绕冥王星的卡戎运行。

这是一个很重要的原因。我们就从太阳系最内部、没有卫星的行星:水星的角度来思考一下。

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水星绕太阳公转的速度相对较快,因此它受到的引力和潮汐力都非常大。如果有其他的天体还在绕水星轨道运行,就会有许多其他因素在影响水星的轨道系统:

  • 来自太阳的“恒星风”(向外喷射的高能粒子流)会撞击水星和围绕它运行的物体,扰乱其轨道。
  • 太阳对水星表面施加的热量会导致水星大气扩张。即使水星没有大气,表面的粒子也会被加热并被抛到太空中,形成一种稀薄但不可忽视的大气。
  • 最后,就是最终的潮汐锁定:不仅小质量物体要与水星相互锁定,而且水星也会被太阳锁定。

这就意味着,对于水星的任何卫星来说,都有两个限制位置。

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如果水星的卫星离水星太近:

  • 卫星的公转速度慢,
  • 水星的自转速度慢,无法实现与太阳的潮汐锁定,
  • 卫星容易受到太阳风的影响,
  • 或者卫星经常性的会受到水星大气的摩擦,

水星的卫星最终会撞向水星表面。

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另一方面,如果水星和卫星距离过远,它很有可能会被推离水星轨道:

  • 卫星公转速度得太快,
  • 水星自转太快,无法与太阳实现同步,
  • 太阳风会增加卫星公转的速度,
  • 其他行星的扰动作用会把一个绷的很紧的卫星从其轨道中弹射出去,
  • 或者来自太阳的热量会给一个足够小的卫星提供了额外的轨道动能。
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现在,说了这么多,在太阳系中还有其他的行星和卫星呢!虽然三体系统很难达到真正的稳定状态,除非处于各种完美的配置中,但可以在适当的情况下,在数十亿年的时间尺度上实现稳定。下面几个条件就必须满足:

  • 太阳系中的主质量行星/小行星离太阳足够远,所以太阳风、阳光通量和太阳的潮汐力都很小。
  • 行星/小行星卫星的卫星与主体的距离不是特别远,因此受到的引力束缚就不会太过于松散,也就不太可能被其他引力或机械相互作用从系统中踢出去。
  • 行星/小行星卫星的卫星离主体也不能太近,这样潮汐、摩擦或其他影响就不会使它被吸入并与母体融合。
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考虑到以上的条件,那我们太阳系卫星的卫星在哪里呢?

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最接近的情况是,太阳系中有特洛伊小行星和它们自己的卫星,但由于这些都不是木星的“卫星”,这并不完全符合我们的要求。

简而言之,我们不太可能看到这样的情况,但还是有希望的。气态巨行星非常稳定,而且离太阳非常远。它们有很多卫星,其中许多卫星已经被潮汐锁定在母星上。最大的卫星是我们安置卫星的最佳选择。最好的候选人应该是:

  • 质量尽可能足够大,
  • 离母体相对较远,以减少被吸入的危险,
  • 离母星又不是很近,如果太近又有可能会因为其他天体的引力扰动被弹射出去,
  • 这颗卫星周围没有大的卫星,也没有可以绕论轨道天体的粒子“光环”。
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综上所述,在我们的太阳系中,有可能拥有稳定卫星的最佳候选卫星是什么?

  • 木卫四:木卫四在木星所有大卫星的最外层,平均轨道半径188.3万公里,半径达2410公里。以16.7天的周期绕木星轨道运行一周,并且具有相当大的逃逸速度2.44公里/秒。
  • 木卫三:木卫三是太阳系中最大的卫星,半径2634公里,木卫三距木星107万公里,但它于木卫二的距离很近。它拥有太阳系卫星中最高的逃逸速度2.74千米/秒,但是卫星密集的木星系统使得任何木星的卫星拥有自己卫星的可能性都很小。
  • 土卫八:它的体积不大,半径为734公里,但土卫八离土星很远,平均轨道距离为356.1万公里。它远在土星环之外,与其他主要卫星也相隔甚远。它的缺点是质量和体积很小:只需要以每秒573米的速度就可以逃离土卫八,但也有可能存在很小的卫星绕其运行。
  • 天王星的卫星天卫三:它的半径为788公里,是天王星最大的卫星,距离天王星约436000公里,轨道周期需要8.7天。
  • 天王星的卫星天卫四:天王星的第二大卫星,半径761公里,是距离天王星最远的大卫星,轨道半径584,000公里,绕天王星公转需要13.5天。然而,天卫四和天卫三之间的距离很近,这使得天王星周围没有可能存在“卫星的卫星”。

海王星的卫星海卫一:这个被捕获的柯伊伯带天体半径足有1355公里,距离海王星非常遥远,轨道半径有355000公里,一个物体需要以超过1.4千米/秒的速度运动才能脱离海卫一的引力。所以海卫一是太阳系中最有可能存在自己卫星的卫星。

在太阳系中,有没有一颗卫星拥有自己的卫星?为什么?

外太阳系中确实存在很多巨大的气体系统,但是在这些系统中又存在很多的引力摄动,会造成轨道的不稳定,所以想要获得一个“月之月”的条件极端困难。

但如果猜测的话,我们认为土卫八和天卫四是太阳系中最有可能拥有“月之月”的卫星,因为它们是离母星最远的大卫星,而且在某种程度上与其他大质量物体相隔甚远,从这些星球表面逃逸的速度仍然相当可观,可以拥有一些小型卫星。

尽管如此,据我们所知,我们仍然不清楚在太阳系中是否存在“月之月”的系统,也许以上的推理是完全错误的,而我们最好的选择实际上是在柯伊伯带或奥尔特云这些最遥远的地方,在那里有比在太阳系中更多的机会。

在太阳系中,有没有一颗卫星拥有自己的卫星?为什么?

据我们所知,这样的系统很有可能存在,但这样的情况需要非常特殊的条件,也需要相当多的机缘巧合。据我们的观察,这种情况并没有在我们的太阳系中发生。但在整个宇宙充满着无限的可能。

如果人类下一次去木星或其他气态巨行星的深空任务发现了这种天体系统,我们也不会感到惊讶,因为这是在合理的理论范围内发生的事。

也许月亮的月亮是真实存在的,只是需要在正确的地方寻找它们!

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