在看太陽系八大行星的時候,我們會很明顯地發現,我們的地球周圍光禿禿一片,除了一個巨大的月球外,什麼都沒有。而土星卻擁有一個美麗的光環,就算在地球上,我們也能利用天文望遠鏡觀看到這個明顯的光環。
除了木星以外,在整個太陽系來看,太陽系8大行星中,四顆氣態行星:木星,土星,海王星和天王星其實都有著明顯的光環。而在小行星帶以內的四顆巖石類行星:水星,金星,地球和火星都是沒有星環的。
那麼究竟是什麼限制了巖石類行星擁有光環呢?
想要理解這個問題,我們首先要明白行星的光環就行是什麼!科學家們發現,在這些氣態行星的軌道上擁有者無數的微小顆粒和巖石碎片,這些巖石和塵埃微粒受到引力的作用繞著氣態行星旋轉。這數量眾多的小碎片維持著一種十分微妙的平衡而存在,當太陽光照射到這些碎片上時,他會回將太陽的光線進行散射,於是我們就看到了這些美麗的光環。
那光環本身是如何形成的呢?這裡大家要明白一個物理概念:洛希極限。洛希極限是一個天體自身的引力與第二個天體造成的潮汐力相等時的距離。當兩個天體的距離少於洛希極限,天體就會傾向碎散,繼而成為第二個天體的環。它以首位計算這個極限的人愛德華·洛希命名。洛希極限是一個距離。當行星與恆星密度相等時,它等於恆星赤道半徑的2.44倍。
簡單來說就是兩個天體保持平穩運行的最短距離就是洛希極限。當一顆小質量天體接近一顆大質量天體時,二者間的距離縮短到一定程度的時候,小質量天體就會被大質量天體的引力撕碎,小質量天體被撕裂出的碎片就會飛向這顆大質量天體,這時候就會發生兩種情況:要麼撞擊大天體,要麼形成美麗的星環。
當這些碎片會墜落到大質量天體的表面時,會猛烈地轟擊這顆大質量天體。1994年的彗木大相撞事件就是一次由於洛希極限而出現的宇宙事件。1994年,蘇梅克-列維9號彗星運行到了木星軌道附近,由於彗星的質量比木星要小上很多,而且兩個天體之間的距離已經超過了洛希極限,因此蘇梅克-列維9號彗星瞬間被木星撕裂成一塊有一塊的碎片,變成隕石墜落在木星之上。
當這些碎片不全部墜入大質量天體表面時,這些碎片就會在星球的上空形成美麗的光環,這就是氣態行星光環形成的原因。
由於洛希極限受限於天體的質量,因此氣態行星的質量一般都是遠大於巖石類行星,而這麼巨大的質量又會導致這些天體的洛希極限半徑高達數十萬公裡,因此更容易形成美麗的行星環。而巖石類行星與之相比就不行了,巖石類行星的洛希極限就小多了。
通過計算,我們可得出地球與月球的洛希極限大約為1.35萬公裡,而地球與月球之間的距離為38萬公裡,遠遠超出了它們之間的洛希極限,因此月球能夠安然無恙的圍繞著地球公轉。
正因為如此,氣態行星上更容易形成行星環,因為它形成的行星環軌道半徑很高,距離氣態行星十分遙遠,氣態行星的引力很難清理掉它們,因此能夠長期存在。而巖石類行星本身就不容易形成行星環,就算形成了也很容易被巖石行星自身的引力清理掉。
這就是為什麼太陽系內四大巖石類行星都沒有行星環,而四大氣態行星都有美麗的行星環的原因。
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