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为什么土星有环,火星没有?其实火星曾经有以后也有

作者:- 文章来源:- 点击数:50 更新时间:2017/5/19 7:38:48

  来源:赛先生公众号

题图:火星环的艺术想象图(来源:Tushar Mittal)题图:火星环的艺术想象图(来源:Tushar Mittal)

  小黑板

  行星环:一些行星周围存在有大量细碎的物质块与颗粒汇集成环的形状,环绕着行星,这就是行星环,它们像无数卫星的天然卫星一样,集体绕着行星运转,并保持环的形状。

  洛希极限:当一个天体围绕另一个天体运动时,与后者中心的距离小到足以被后者撕碎时,这个距离就被称为“洛希极限”。18世纪中叶,法国天文学家洛希首先研究了这个问题,因此以洛希来命名这个极限。有些理论认为,当一个卫星进入行星的洛希极限后,就会被撕碎为行星环。

  太阳系中以环而驰名的星球是土星,木星、天王星与海王星也有环,这四个行星都是太阳系中的气态巨行星。太阳系中另外四个大行星(水星、金星、地球、火星)都是固态行星,它们都没有环。

  不过,如果有人告诉你火星以前也有环,你可能会大吃一惊;如果有人告诉你火星的环在过去几十亿年多次变为卫星又变为环,现在的卫星——火卫一(Phobos)与火卫二(Deimos)——在将来还会变为环,你会更加惊奇。

  那么,凭什么说火星以前也有环呢?这个环怎么来的?它是如何与卫星实现互相转变的?故事要先从火星现在的两颗卫星说起。

  火星的两个卫星

  火星的两个卫星都很小,且形状不规则。火卫一的平均半径只有11.3千米,质量是月球的1000万分之一。火卫一的轨道半径(精确说,是半长轴)为9376千米,是火星半径的2.76倍。

  火卫二更小,其与三环内的北京城差不多大。平均半径只有6.2千米,质量仅为火卫一的七分之一。火卫二的轨道半径为23463千米,是火星半径的6.92倍。

图1。 火卫一(左)与火卫二(右)的近距离图像(来源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)。图1。 火卫一(左)与火卫二(右)的近距离图像(来源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)。
图2。 火卫一、火卫二与火星距离的示意图(图片来源:Magenta Green/CC BY-SA 3.0)图2。 火卫一、火卫二与火星距离的示意图(图片来源:Magenta Green/CC BY-SA 3.0)

 

  尽管火卫一离火星很近,它的轨道半径只有火星半径的大约3倍(相比之下,月球的轨道半径大约是地球半径的60倍),但因为它实在太小,使得火星上因为火卫一遮挡而导致的日食不可能为全食,而只能是偏食和环食,如图3。由于火卫二更小更远,因此它遮挡太阳导致的日食,其阴影比火卫一遮挡时更是小得多。所以我们要感谢月球的大小如此恰当、与地球的距离又如此恰当,使得我们有机会看到日全食。

图3. 好奇号火星车拍摄下的火星日食,遮挡者为火卫一(来源:NASA)图3。 好奇号火星车拍摄下的火星日食,遮挡者为火卫一(来源:NASA)

  火星卫星的起源

  对火星这两颗卫星的起源,此前人们长期以来争论不休,有人认为这两颗卫星是与火星同时形成的;有人认为它们是火星俘获来的;有人认为是一颗较大的天体撞击火星之后,散落到太空中的残骸逐渐凝聚而成的。但前两个模型都无法解释火星卫星系统的特征,最后一个模型虽然更加合理,但无法给出撞击后形成卫星的细节。

  2016年6月,比利时皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)的Rosenblatt等人在《自然·地学》(Nature Geoscience)发表了一篇论文,他们用数值模拟给出了撞击后形成卫星的过程。

  根据这个新的数值模拟,在火星形成后1亿年到8亿年之间,一个大小为火星三分之一的行星撞击了火星。

图4。 原行星撞击火星的艺术想象图。(来源:Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS)图4。 原行星撞击火星的艺术想象图。(来源:Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS)

  大撞击发生后,产生的一部分碎片被反弹到空中,形成环绕火星的环,其物质分布很广,直到火星赤道上空很远的范围内。

  根据环中物质与火星的距离,新形成的环分为内环、外环两大部分,内环更靠近火星,外环离火星相对远一些。内环物质的密度比较大,很快形成一个大的卫星,其质量是今天的火卫一质量的1000倍大;在这个新形成的大卫星的引力作用下,外环区域内的物质逐渐凝聚为大约十个小卫星。

  几百万年后,内环形成的大卫星落向火星,外环中形成的大部分小卫星也落向火星,只剩下两颗小卫星,这两个幸存者就是火卫一与火卫二。由于火卫一与火卫二是在低密度的外环中形成的,所以它们的密度比火星密度低。

图5。 撞击(上左)、形成环(上右)、形成大小卫星(中左与中右)、大卫星靠近火星(下左)、最后留下两个小卫星(下右)(来源:A。 Trinh - Royal Observatory of Belgium)图5。 撞击(上左)、形成环(上右)、形成大小卫星(中左与中右)、大卫星靠近火星(下左)、最后留下两个小卫星(下右)(来源:A。 Trinh - Royal Observatory of Belgium)

  在 Rosenblatt 等人的模型中,火卫一与火卫二在形成后就基本不再变化,保持至今。

  “环-卫星-环”的循环转变过程

  在Rosenblatt 等人的论文发表后不久,普渡大学西拉法叶分校(Purdue University,West Lafayette)物理与天文系的Hesselbrock与地球、大气、行星科学系的Minton 进行了新的数值模拟,论文于2017年3月20日发表于《自然·地学》。

  Hesselbrock与Minton的新模拟表明,大撞击之后形成的并不是持续存在到现在的火卫一,而是火卫一的远祖(“前身”),这个“火卫一的远祖”在此后在环状态与卫星状态之间多次循环转变,直到变为现在的火卫一。

  在这个新模型中,大撞击后被抛向空中的物质环形成火卫一的前身,然后火卫一的前身慢慢靠近火星,但距离太近会造成灾难性的后果:天体周围有个距离极限叫做洛希极限(Roche limit),如果两个天体的距离过小,以至于其中一个天体处于这个洛希极限内,那个天体就会被另一个天体撕碎,成为另一个天体的环。

  根据Hesselbrock与Minton的模拟,几十亿年前,撞击后形成的物质环中产生了火卫一的前身,随后,火卫一的前身首次进入洛希极限内,被撕裂为分布很广的环。环中大约百分之八十的碎片处于洛希极限内,这些碎片如雨点般掉落到地面,形成陨石雨,堆积在赤道附近;剩下的大约百分之二十的环物质在洛希极限外,慢慢堆积成新的卫星。因此,新的卫星的质量只有前身质量的五分之一。

  此后,新的卫星再次进入洛希极限、并再次被撕碎为环,然后位于洛希极限内的大多数物质又成为陨石雨,落到火星表面。剩下的位于洛希极限外的那部分碎片又凝聚形成新的卫星。

  Hesselbrock与Minton的新模拟表明,这个“环-卫星-环……”的循环过程在过去43亿年出现了三到七次,每次都有大量环物质落到火星赤道附近,接着形成的卫星都比之前小得多。经过这么多次的“环-卫星-环……”循环转变之后,才形成现在看到的火卫一,它比他的“远祖”可小得多了。

  火卫一的轨道半径变化到一定大小时,就会与火卫二轨道发生共振,这种共振会改变火卫二轨道,但基本上不会对火卫一轨道产生影响。

  陨石雨与赤道堆积物

  这个最新的模型,不仅可以像以前的模型那样解释火星北极的大盆地,还可以解释火星赤道的多余沉积物。这些沉积物的厚度大约为几千米。如果这些沉积物都掉落在火星赤道附近,就会使得赤道附近的松散堆积物的厚度达到2千米。以后人们可以发射新的火星车,研究这些堆积物,以检验该模型的正确性。

  火卫一将来还会变成环

  我们的月球以每年几厘米的速度离开地球,太阳系中其他行星的卫星大多也在远离对应的行星。只有两个卫星在靠近自己所环绕的行星,一个是火卫一,一个是海卫一(Triton)。

  由于火卫一正在不断靠近火星,因此可以预期,在未来的某个时刻,它将进入火星的洛希极限,然后要么被撕裂,要么继续靠近火星,直到撞上火星。

  2015年,加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)地球与行星科学系的博士后Black与研究生Mittal根据数值模拟,得出结论:火卫一在2000万年到4000万年后将被部分撕裂,其松散部分成为一个环,其质量与现在的土星环差不多,其相对结实的部分将继续靠近火星,直到最后撞击火星。论文发表于《自然·地学》。

图6。 火卫一逐渐靠近火星,一部分在未来被撕裂为环,剩下部分最终撞到火星(来源:Benjamin A。 Black & Tushar Mittal,Nature Geoscience) 图6。 火卫一逐渐靠近火星,一部分在未来被撕裂为环,剩下部分最终撞到火星(来源:Benjamin A。 Black & Tushar Mittal,Nature Geoscience) 

  对于未来火卫一会变成环这个预言,上面提到的Hesselbrock与Minton的新论文也得到了类似的结论,但环形成的时间略有不同:他们认为这件事发生的时间在7000万年以后。

  现在我们来总结一下以上几个工作的主要结论与独到之处:第一,火卫一之前是环物质,这在之前已被指出并被仔细研究过,但现在又有了进一步的发展,Rosenblatt等人首次给出了环形成的具体过程。第二,Hesselbrock与Minton的新研究首次提出:火卫一在形成之后到现在,经历了“环-卫星-环……”的多次循环,而非之前人们认为的那样一成不变。第三,火卫一在几千万年后还会变为火星环,那时候的地球人会看到壮观的火星环。

  不久的将来,人类发射的火星车会对火星赤道堆积物展开研究。这些研究将检验这些新研究是否正确。让我们拭目以待吧!

  附录:

  1、Rosenblatt等人的论文:

  http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n8/full/ngeo2742.html

  2、Hesselbrock与Minton的论文:

  http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2916.html 

  3、Black与Mittal的论文:

  http://www.nature.com/ngeo/journal/v8/n12/full/ngeo2583.html

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