答:土星為什麼有那麼多衛星?

2021-02-25 國家空間科學中心

衛星是環繞一顆行星按閉合軌道做周期性運行的天體。不過,如果兩個天體質量相當,它們所形成的系統一般稱為雙行星系統,而不是一顆行星和一顆天然衛星。

上期我們講到土星的衛星土衛四,說到土星擁有非常多的衛星,已確認的已經多達62個;而我們的地球只有一個衛星,也就是月亮。

 

卡西尼飛船探測拍攝的土衛四照片

 

那麼,土星為什麼有那麼多衛星?我們可能會說:因為土星大啊!個頭大質量也大!其實不然,火星和冥王星比地球要小,卻都有兩個以上的衛星。土星質量大確實對它的衛星多有幫助,但也只是因素之一。關於這個問題是多個複雜因素共同作用的結果,可能最主要的原因是土星到太陽的距離比較遠,並且這個距離對這個問題的影響是多方面的。這裡我們做一些簡單的介紹和分析。

 

土星和它周圍的衛星(亮點)

 

首先,太陽系形成過程中形成了大大小小的天體(當然都遠遠沒有太陽大),一個小天體距離太陽越近,其活動的空間越小,能夠遇到其他大的行星吸引它變成衛星的機會也越小,並且我們也很清楚離太陽越近太陽的引力越大,所以這個小天體更大的可能是圍繞太陽成為一顆行星或小行星,而不是衛星。就好比水星個頭和月亮接近,但水星因為直接受到太陽更大的吸引力、圍繞太陽旋轉所以是一顆行星。

其次,離太陽越遠,圍繞太陽的圓周的周長、面積都越大,在太陽系早期該軌道沿途所容納的宇宙塵埃也越多,它們所匯聚成的小星體也多。另外,在大約火星和木星軌道之間的「凍結線」(Frost line)位置,由於太陽加熱效果,線以內水、氨和甲烷等只能以液態或氣態存在,不能形成天體;但這條線以外,這些成分卻可以凝固成固體,並成為天體的組成部分。如果有質量大的行星離它們很近,近處的吸引力大於遠處的太陽,星體就能被行星吸引成為衛星。土星不但自己所處的位置塵埃多(自己還擁有一個塵埃和碎石構成的土星環),而且離凱伯帶(Kuiper belt)比較近,那是由數十億顆在海王星軌道之外繞行的小型冰體構成的碟形帶(冥王星就屬於個頭較大的凱伯帶天體),偶然捕獲到來自凱伯帶天體使其成為衛星的機會比較大。因此,土星衛星的「原料庫」也非常大。

 

太陽系的「凍結線」(Frost line)

 

當然這裡還是要說到土星個頭大的問題了。土星的體積是地球的745倍,質量是地球的95.18倍,它的吸引力要比地球大得多。結合它到太陽的距離,可以計算一個名為Hill Sphere的參數,是關於星球周圍引力平衡、能夠容納衛星的空間有多大,限於篇幅就不再講解了,感興趣的朋友可以搜索一下。木星的Hill Sphere直徑比地球的Hill Sphere直徑大了將近百倍。

並且,還有一種理論,因為木星的質量很大,小天體在被木星吸引的天體靠近它到名為「洛希極限」(Roche limit)的位置時,會被潮汐力撕裂解體留下較堅固的內核部分,表面逐漸累積鬆散的土星光環物質(宇宙塵埃等),慢慢變大最終形成衛星。

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