月球可以有卫星吗?
月球可以有卫星吗?事实上,这个问题有两种答案,一种是简单的,一种是复杂的。简单的答案是:可以!毕竟,在阿波罗登月计划中,有好几艘飞船都曾围绕月球运行。此外,我们还有其他太空探测器也成了月球的卫星,比如中国首颗绕月人造卫星嫦娥一号。
但这可能并不是你想问的问题。你想知道的是,月球等卫星是否还可以拥有一颗天然形成的卫星。回答这个就复杂了些,但答案是:一些卫星是可以有的,不过这种情况十分少见。
别被行星拉走
在进一步讨论之前,我们首先来了解一下什么是卫星。简单地说,它是一颗围绕行星运行的天体。那么围绕卫星运行的天体叫什么呢?有些人喜欢把它称之为"卫星的卫星",不过我们在这里把它称之为"子卫星"。事实证明,子卫星是可以存在,但只能在一定条件下存在。为此,我们必须谈谈引力问题。
就拿地球和月球为例,地球质量大约是月球质量的81倍。这意味着,如果你把东西放在围绕月球的远轨道上,地球借助自身的引力就足以把它拉走。子卫星离月球越远,它就越容易受到地球引力的影响。即使地球不能直接把它从轨道上拉走,地球的引力可能足以扰乱它,微微地改变它的轨道,尤其是每次它在月球和地球之间经过时,轨道都会发生一定的改变。这些变化都会累计起来的,最终子卫星要么飞向宇宙深空,要么撞向地球或月球。
借助物理公式,你可以发现一颗卫星周围存在着一个空间范围,在这个空间范围里,卫星的影响力要远大于它所围绕的行星的影响力,而且子卫星可以在其中稳定地围绕卫星旋转。这个空间范围通常被称为希尔球,是以首先研究这个问题的美国天文学家乔治·威廉·希尔的姓氏命名的。
卫星的希尔球大小取决于三件事:它所围绕行星的质量、卫星的质量,以及行星离卫星有多远。这很好理解,一颗质量更大的卫星可以更好地让子卫星留在轨道上,但一颗质量更大的行星会起相反的作用。如果卫星离行星太近的话,行星会把子卫星拉走。
同样,行星也有自己的希尔球,也就是其卫星能稳定存在的范围。经过计算,我们可以得到地球希尔球的半径大约为150万千米,远大于地球与月球之间的平均距离(约38.4万千米)。有趣的是,月球的希尔球直径大约5.8万千米,或距离其表面约5.6万千米。这个范围是很大的,看来,月亮应该可以有一颗子卫星。
别被卫星撕碎
即使子卫星在卫星的希尔球内,行星的引力依旧可以继续影响子卫星,随着时间的推移,会破坏子卫星的稳定。这很难计算,但是一个合理的估计是,如果子卫星在希尔球半径的一半以内,它就能稳定很长时间,比如几十亿年。对于月球来说,这个距离为离其表面不到2.8万千米。
但是如果子卫星离卫星太近也有问题,原因是卫星的潮汐力。因为引力随着距离的增加而减弱,一个天体靠近一个大天体时,天体上的各点感受到的引力是不同的,不同点的引力差就是潮汐力。如果潮汐力太大的话,就可以撕碎这个天体!
根据相关的物理公式,我们可以发现,两个天体之间的距离小于等于某个距离时,潮汐力就可以撕碎较小的天体。潮汐力刚能撕碎小天体时的距离被称为洛希极限,它是以首位研究者法国天文学家爱德华·洛希的姓氏命名的。洛希极限取决于很多因素,包括两个天体的质量和较小天体的体积。总之,这意味着子卫星不能太大,也不能与卫星靠得太近,否则它会被撕碎。
太阳系中的子卫星
最近,一些天文学家对此这样的问题进行了计算。他们提出了一个非常具体的问题:在我们的太阳系中,是否可以存在一颗围绕卫星运行的子卫星,而且子卫星的轨道至少可以稳定存在数十亿年?
结果表明,太阳系中没有多少卫星能容纳一颗个头足够大(直径不少于10千米)的子卫星。例如,许多卫星要么质量太低了,要么离行星太近,导致它们的希尔球非常小,有的卫星的希尔球甚至完全处于卫星的内部,使得子卫星很难有空间"立足"。
但是他们确实发现了几颗卫星可以拥有子卫星,这包括:月球、土卫六、土卫八以及木卫四。土卫六的质量很大,因此它可以牢牢控制住子卫星而不让其被土星拉走,而土卫八和木卫四离它们的行星足够远,所以它们的希尔球相当大。我们的月球质量足够大,而且离地球距离足够远,所以也可以拥有一颗子卫星。
有意思的是,土卫八拥有一个环绕星体超过半圈的山脊,而且山脊正好位于土卫八的赤道上,使得整个土卫八看起来就像两个金属半球被焊接在一起,而山脊正好就是那条焊接缝。目前,天文学家还无法确定这道山脊是如何形成的,但它可能是与一个被撕碎的小天体碰撞造成的。小天体被撕碎后,其碎片环绕土卫八并沿着赤道与其发生碰撞。这个小天体可能原本就是土卫八的子卫星,但因土星或其他卫星的影响,导致它与土卫八的距离越来越近,当它们之间的距离小于洛希极限后,这颗子卫星就被土卫八的潮汐力撕碎了。
罕见的子卫星
所以说,一些卫星可以拥有子卫星。那么,为什么我们没有在太阳系中找到这样的例子呢?一个原因是,一些子卫星可能太小了,我们很难找到它们。事实上,如果有一颗10米宽的子卫星围绕着我们的月球旋转,天文学家都很难发现它。更不用说其他卫星的子卫星了。但显然,我们也没有观察到更大的子卫星。
问题可能在于,较大的子卫星最初不可能与行星和卫星一起形成。围绕一颗新生恒星的旋转的气体尘埃盘,其内部物质的运动可能十分混乱,以至于任何较大的子卫星无法轻易地形成。至于行星和卫星形成之后,卫星捕获一颗小行星并使它成为子卫星,这是有可能的,但发生这种事情的概率非常低。
此外,我们的月球虽然现在具有拥有子卫星的条件,但在过去可能不是这样的。我们的月球在刚形成的时候可能非常接近地球,因为地球潮汐力的作用,它经过数十亿年后已经远离到目前的距离上。现在,月球仍以每年约4厘米的速度远离地球。月球在过去离地球很近,这意味着那时月球的希尔球将非常小,甚至它有可能完全会处于月球的内部。如果是这样的话,一颗子卫星就不可能形成。当它离地球足够远,拥有一个巨大的希尔球时,已经太迟了,太阳系早就稳定下来了,不会有什么物质可以过来形成子卫星。
而对于土星和木星来说,环绕这些行星运行的卫星有的相当大,例如土卫六和木卫三都如同水星那么大。这样,某颗卫星的子卫星除了会受到行星的影响外,它还会受到这些大个头卫星的影响。影响的因素增多了,导致很难形成子卫星。这可能就是在土星和木星的周围找不到任何子卫星的主要原因之一。
总之,虽然在一些卫星周围存在可以让子卫星稳定存在的区域,但在该区域中出现一颗像样大小的子卫星却是一件很难的事情。但这并不意味着子卫星根本不存在!虽然我们这儿没有子卫星,但宇宙那么大,总有一些地方会出现这种有趣的天文学现象。
例如,最近天文学家就发现,离我们大约8000多光年的系外卫星开普勒-1625b I,极有可能拥有一颗相当大的子卫星。在那里,一颗类似太阳的恒星(开普勒-1625)被一颗行星所围绕,该行星还被一颗卫星所围绕,该卫星又被一颗子卫星所围绕。
当然,子卫星的出现是一种非常有趣的天文学现象,也是一种罕见的特殊现象。研究这种现象,可以更深入地了解一些特殊天体的形成原因,以及其运行规律和最后的结局,其结论有可能推翻现在我们对周围天体已有的认识。
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