土星木星为什么能有几十颗卫星？丨Calling太空

　　编者按：＂浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索＂，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设＂Calling太空＂科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
　　大家可能听说过木星、土星个头比咱们地球大很多，而且有不止一颗的天然＂卫星＂，俨然一个个小的星系。那么，你知道他们都有几颗卫星吗？
　　人类已经知道的土星卫星差不多有82颗。而且随着观测手段和精度的提高，还可能有其他未发现的卫星！而木星与之相似，今年6月份，根据报道，一位业余天文学家发现了一颗新的木星卫星。虽然它还没被正式命名，但它将使木星的卫星数量达到80颗。
　　它们怎么家族都这么庞大？！
　　木星最先被发现的几颗卫星（图片来自网络）
　　什么叫＂卫星＂？
　　所谓天然的卫星（Moon，也即是月亮的英文），是围绕行星（比如地球）运行的星球，而行星是围绕恒星（比如太阳）运行的星球。
　　与行星、矮行星确定的定义不同，卫星其实没有要求球形的形状，也不需要清空轨道上的其他天体。卫星主要的要求就是要在轨道上环绕着行星飞行，而不能绕太阳这样的恒星飞。这主要是物体在万有引力作用下飞行速度方向的改变，转过的弧线与地球这个圆球一致。
　　咱们地球只有月亮这一颗卫星，相邻的火星有两颗，但＂气态行星＂木星和土星的卫星非常非常多，刚才说了，它们都超过80颗。
　　这些卫星里，个头大的就像咱们地球一样是一颗宏大的星球，小的可能就是一个奇形怪状的巨石。例如下边这张照片是卡西尼飞船于2012年7月23日在距离土卫四星球26万英里（约42万公里）处拍摄的。这颗星球平均直径为1118千米，主要由冰组成。从照片可以看到，它的表面有峡谷、线条（卡西尼飞船拍摄到其可能是冰悬崖）和撞击坑，是一颗有着丰富地貌的星球。
　　卡西尼飞船探测拍摄的土卫四照片（图片来自网络）
　　第80颗木星卫星是怎么发现的？
　　前文我们提到的这位叫做Kai Ly的朋友，在本次发现之前，就曾利用3.6米加法夏望远镜（CFHT）在2003年观测的数据，识别出一些曾经被发现、但已经丢失了位置记录的木星卫星。
　　今年6月份，他开始检查摄于2003年2月的图像，当时正处于木星冲日时期，也是其卫星最明亮的时候。他检查了在2月24日晚上不同时间中覆盖同一天区的三张观测图像，发现当晚有3个目标点——3颗可能的未发现卫星——以每小时13到21角秒的速度移动。
　　Ly进一步在其他时间的图中发现其中某颗卫星（被Ly称为EJc0061），并由此建立了一条时长为22天的弧线轨迹，表明该星体与木星存在联系。从那以后，高精度的轨道预测和星历表使他可以探索2003年以后的观测记录。后来他观测到越来越多的验证结果，例如从2018年的结果中，他在预测的卫星位置附近找到了它，这颗微弱的卫星视星等在23.2到23.5之间。
　　最终，他根据为期15.26年（5574天）内的76次观测记录绘制出了这颗卫星的轨道线，看上去它的轨道在几十年内都会是稳定的。夏威夷大学的David Tholen表示，这些数据几乎完整记录了这颗卫星8个轨道（周期为1.9年）的运动，足以证明它是一颗木星的卫星。
　　2021年6月30日，Kai Ly向小行星邮件列表（Minor Planet Mailing List）报告了这一发现，并将其提交给小行星电子通报（Minor Planet Electronic Circular）发布。这便是木星的第80颗卫星。
　　土星、木星卫星多达几十颗，有哪些可能的原因？
　　那么，土星、木星为什么有那么多卫星，而地球却只有月亮这一个？我们可能会说：因为它们个头大啊！并且它们的质量也大！不过，同在太阳系的其他星球，例如火星和冥王星比地球要小，却都有两个甚至更多的卫星。土星质量大确实对它的卫星多有帮助，但也只是因素之一。这个问题非常复杂，这里我们简单的介绍一些科学家们提出的可能的原因。
　　首先，太阳系形成过程中形成了大大小小的天体（当然都远远没有太阳大），一个小天体距离太阳越近，其活动的空间越小，能够遇到其他大的行星吸引它变成卫星的机会也越小，并且我们也很清楚离太阳越近太阳的引力越大，所以这个小天体更大的可能是围绕太阳成为一颗行星或小行星，而不是卫星。就好比水星个头和月亮接近，但水星因为直接受到太阳更大的吸引力、围绕太阳旋转所以是一颗行星。
　　太阳系的＂冻结线＂在小行星带附近（图片来自网络）
　　其次，离太阳越远，围绕太阳的圆周的周长、面积就越大，在太阳系早期该轨道沿途所容纳的宇宙尘埃也越多，它们所汇聚成的小星体也多。另外，在大约火星和木星轨道之间的＂冻结线＂（Frost line）位置，由于太阳加热效果，线以内水、氨和甲烷等只能以液态或气态存在，不能形成天体；但这条线以外，这些成分则可以凝固成固体，从而成为天体的组成部分。如果有质量大的行星离它们很近，近处的吸引力大于远处的太阳，星体就能被行星吸引成为卫星。冻结线位置呢？这里就形成了著名的小行星带。
　　土星和木星不但自己所处的位置尘埃多（他俩都拥有由尘埃和碎石构成的环），而且离柯伊伯带（Kuiper belt）比较近，那是由数十亿颗在海王星轨道之外绕行的小型冰体构成的碟形带（冥王星就属于个头较大的柯伊伯带天体），偶然捕获到来自柯伊伯带天体使其成为卫星的机会比较大。因此，土星和木星的卫星的＂原料库＂也非常大。
　　柯伊伯带（Kuiper belt）示意图（图片来自网络）
　　当然这里还是要说到土星或者木星＂个头大＂的问题了。土星的体积是地球的745倍，质量是地球的95.18倍；而木星是太阳系最大的行星，在太阳系的星球中，它的尺寸仅次于太阳，体积是地球的1316倍，质量是地球的318倍；显然，它们对小天体的吸引力要比地球大得多。结合它们到太阳的距离，可以计算得到参数＂希尔球＂（Hill Sphere），这个参数表征了在星球周围引力平衡的状态下、能够容纳卫星的球形空间半径有多大，简而言之，就是希尔球越大，能容纳卫星越多。感兴趣的朋友可以搜索一下。木星的Hill Sphere直径比地球的Hill Sphere直径大了将近百倍。
　　并且，还有一种理论，土星和木星的质量很大，特别是木星，小天体在被木星吸引的天体靠近它到名为＂洛希极限＂（Roche limit）的位置时，会被潮汐力撕裂解体留下较坚固的内核部分，表面逐渐累积松散的土星光环物质（宇宙尘埃等），慢慢变大最终形成卫星。之前全国流行的科幻电影《流浪地球》就提到了洛希极限和撕裂星球的问题，虽然电影里使用的洛希极限数据不够准确。
　　木星、土星会不会还有更多的卫星？
　　目前太阳系这些行星的卫星就已经有200颗左右了。随着望远镜的进步，天文学家们无疑会发现更多围绕木星和土星转动、但体积更小的卫星。一些学者推算，它们都可能有几百个、甚至更多的卫星，例如来自加拿大的天文研究团队通过观测结算后，认为光是木星的周围可能存在着600颗左右的候选卫星，而且直径都在800米以上。
　　这样会带来另一个问题——多大的天体才能算得上是卫星，现在没有一个准确的数据范围，等到太阳系又多出来几百、几千颗的卫星的时候，应该就要讨论一下了。有学者认为，卫星也会像行星分出矮行星那样，出现新的划分标准线。
　　在实践中，天文学家只会把他们可以确定运转轨道的天体算作卫星。例如，大家可能好奇，木星环、土星环里面不是有很多碎片吗，算不算卫星？从上边的界定方法来说，环里的砂砾、大颗粒不会被算成是卫星。
　　美丽的土星环由许多碎片组成（图片来自网络）