美國科學家宣布:火星曾經擁有一個巨大的光環!

遠古的火星有光環嗎?

SETI研究所和普渡大學的科學家們對火星上最小的衛星「火神號」進行了一項新研究，結果顯示火星在幾十億年前曾有一個巨大的環狀系統。

藝術家的概念紅色行星——火星與光環。圖片通過Kevin Gill在Flickr/ CC 2.0。

環裝系統在我們的太陽系中很常見。木星、土星、天王星和海王星都有光環。目前研究上所有較小的巖石行星都沒有光環，但它們中的一些行星過去可能有光環嗎？2020年6月2日，來自SETI研究所和普渡大學的科學家公布了研究結果，表明火星在幾十億年前也曾擁有自己璀璨的光環。這一發現有助於解釋為什麼火星上最小的衛星——火衛二的軌道異常傾斜的問題。

研究人員於2020年6月1日在《天體物理學雜誌通訊》上發表了這篇經過同行評議的論文。由於新冠肺炎疫情的影響，這項研究實際上也在本周(2020年6月1-3日)召開的美國天文學會第236次會議上發表。火衛一和火衛二這兩個小衛星的軌道幾乎與火星的赤道在同一平面上——這表明它們是與火星同時形成的——但火衛二的軌道傾斜了大約2度。這種傾斜是一個不尋常且無法解釋的發現。一直以來，這個發現也被認為在火星科學方面沒有那麼重要。

現在看來，一直以來的那個小小的異常——火衛二的軌道相對於火星的赤道傾斜2度——為這顆紅色星球的過去提供了一個非常有趣的線索……火星曾經有璀璨光環!

2009年2月21日，火星勘測軌道飛行器檢測到了火星最小的衛星——火衛二。月球的傾斜軌道暗示著火星周圍有一個古老的環狀系統。圖片由NASA/ jpl -加州理工學院/亞利桑那大學/ SETI研究所拍攝。

SETI研究所的首席作者Matija Cuk在一份聲明中解釋道:火神號的軌道與火星的赤道並不完全在同一平面上，這一事實被認為是不重要的，也沒有人願意去解釋它。但一旦我們有了一個偉大的新想法並且我們開始採用新的視角來認識它時，我們才會意識到火衛二的軌道傾斜揭示了它自身的大秘密。

三年前，科學家提出，火衛一，即火星的兩個衛星中較大的一顆，可能會周期性地為火星創建一個光環系統。若事實如此，那麼火星在數十億年的周期中已經形成了多個光環，而且未來還會產生新環。為什麼出現這種現象呢？舉例來講，目前，火衛一的運行軌道正在緩慢接近火星，而最終，火星的引力會將其撕成碎片，此時該衛星的主體結構會形成一個環，之後，環內的物質會結合起來再次形成一個衛星。研究人員認為在火星的歷史上，這種情況發生過很多次。一篇關於火星環系來自火衛二即火星另一顆衛星的新論文證實了這一嶄新理論:

另外，2017年Hesselbrock和Minton提出，火衛一隻是火星重複環系-衛星這一周期的最新產物，每個由環系內部產生的新衛星的質量都小於此前的舊衛星。在環系-衛星周期模型中，衛星形成於環的外緣，然後通過與環的引力作用向外移動。環的質量在其內緣向行星流失，一旦環的質量充分耗盡，衛星就會隨之向內遷移。

這個早前的想法與涉及火衛二的新情況有什麼聯繫呢?

據研究人員的說法，一顆新生的衛星會遠離環和火星，與火衛一或任何向內移動的衛星方向相反。一顆向外移動的衛星，即便僅僅只超出了環系，也會經歷軌道共振，即兩個運行的天體產生相互的有規律、周期性的引力影響的情況，這樣一來，準確地說，火衛二的運行周期就是火衛一的三倍。研究人員的聲明解釋道:

這些軌道共振很複雜，但可以預測……我們可以斷定，只有向外運行的衛星才會對火衛二產生強烈的影響，這意味著火星一定有一個推動靠內衛星向外移動的環系。Cuk和他的合作者推斷，這顆衛星的質量可能是火衛一的20倍，甚至可能是30多億年前就已存在的它的「祖父」……在它之後又完成了兩個環系-衛星周期，才出現最新的衛星火衛一。

在太陽系裡，顯然，土星是最令人熟知的擁有光環的行星，這張圖就是由卡西尼號土星探測器拍下的。圖片來自NASA/ JPL-Caltech.

火衛一的形成大約發生在3.5萬億年前，Cuk告訴ScienceAlert：3.5萬億年大約是我們的最佳推測。這個推測也完美的與Hesselbrock 和Minton的什麼時候火星有了比火衛一質量大20倍的內衛計算結果相符合。當光環消失後，由於火星潮汐的原因（就像火衛一一樣），衛星也隨之下降。當衛星離火星太近時，潮汐動力會把它分裂開然後將它拉進一個新的光環，然後這個周期再次循環，大概兩次，就變成了我們現在看到的火衛一。

我們都知道火衛一比火衛二要更年輕——比起幾萬億年的木衛二來說，木衛一大概只有兩億年左右的歷史——這也與我們的設想相同。我們驚喜的發現，火星至少擁有過一個明顯的光環，並且在它的漫長的生命裡，可能還有更多。這意味著，一些更小的巖石的星球也可以擁有光環，儘管我們現有的太陽系中還沒有這樣的例子。

另一方面來看，科學家們現在知道了在我們的太陽系裡，光環的形成是一件很尋常的事。

凱莉克羅星是第一個在2014年被發現的，在太陽系中比氣態巨行星和冰凍星球體積更小卻擁有光環的天體。圖片來自ESO。

木星，土星，天王星和海王星都以有光環而被大家熟知。但，在2014年，天文學家們發現了一顆行星——並將其命名為凱莉克羅星——它擁有兩個密度大且狹窄的光環。這是第一次在所有太陽系中能找到的，比氣態巨行星和冰凍星球體積更小的卻擁有光環的天體。凱莉克羅星是半人馬小行星群中的一顆，這個小行星群在木星和海王星之間圍繞。丹麥哥本哈根大學尼爾斯玻爾研究所的Uffe Gr e J rgensen說到：

對我來說，我們不僅能探測到光環系統，並且能準確地找到它由兩個清楚的分離的光環組成，是一件很驚奇的事情。我試著想像如果站在這個冰凍天體的表面，它小到一輛跑車都能脫離速度然後開向宇宙中，然後就能比站在月亮上1000倍接近地盯著20公裡（12英裡）寬的光環系統。

在2017年，也有一條行星帶被發現，它在矮行星妊神星周圍，妊神星在柯伊伯帶海王星的軌道之外。SETI 研究院的天體物理學家馬提亞庫克，是這項新研究的第一作者。

透過SETI 研究院讓我們展開想像。

日本航天局JASA 正打算在2024 年發布一項新的火衛一任務，旨在收集樣品，然後帶回地球。這將有希望提供關於火星行星帶的更多線索，並且火衛一來自先前的大月亮。庫克說：「我一生致力於理論計算，我認為理論計算很好，但是也在測試中，可能之後會更好」。如果我們能回到過去並且能夠看到火星行星帶以前的樣子，那就太酷了。但是，我們仍然可以通過研究現在還存在著的兩個小衛星，火衛一和火衛二所留下的線索來了解它們。

總結：關於火星的最小衛星火衛二的一個新的調查表明在幾百萬年前，這個星球過去有一條或多條行星帶。

相關知識

火星是離太陽第四遠的行星也是太陽系第二小的行星，僅比水星大些。在英語中，火星和羅馬戰神的名字是一樣的，瑪爾斯星，而且經常被認作「紅色星球」。後者指的是氧化鐵普遍存在火星表面所帶來的影響，這使它呈現給我們一個微紅的，肉眼可分辨出來的外表。

火星是一顆類地行星，有著一層稀薄的大氣層，表面的特色是有著像月球表面一樣的隕石坑、火山和環形山，並且還有峽谷，沙漠和地球上似的極地冰冠日期和季節與地球相類似，因為轉動周期和相對於黃道平面的軸傾角與地球類似。火星有太陽系中所知的最大火山，最高山峰—奧林匹斯山，以及太陽系中最大峽谷之一的水手谷。北半球平緩的北歐式盆地覆蓋了這個星球40%的土地，可能會產生一個巨大的影響作用。火星有兩個天然的衛星，火衛一和火衛二，這兩顆衛星都很小並且形狀不規則。這些可能會被小行星俘獲，這些小行星與5261 尤裡卡相似，是火星木馬。

作者：Paul Scott Anderson

FY：Astronomical volunteer team

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