衛星為何不會相撞 海王星的這對小夥伴作了個示範
天聞頻道
隨著宇宙探測技術日益發展，人們在行星周圍發現的衛星越來越多。
截至2019年10月7日，人們發現土星伴有82顆衛星，成為太陽系中衛星最多的行星，反超之前穩坐第一寶座、擁有79顆衛星的木星。八大行星中，距離地球十分遙遠的海王星也被發現有十餘顆衛星。如此多的衛星「共事一主」，它們會擦出怎樣的火花？衛星在運行過程中不會相撞嗎？
事實上，大多數情況下，它們儘量不「爭寵」，相安無事。近期，美國國家航空航天局(NASA)就發現，海王星的兩顆衛星軌道就上演著一場「躲避之舞」。
共振：讓天體之間存有牽絆
海衛三(Naiad)與海衛四(Thalassa)的軌道半徑相差僅1850公裡，假如二者軌道處於同一平面，理論上這兩顆衛星在某一時間將以如此近的距離「擦身而過」。但實際上並非如此。
NASA噴氣推進實驗室太陽系動力學專家瑪麗娜·布羅佐維奇領銜的研究團隊發現，海衛三和海衛四的最短距離約為3540公裡，接近軌道距離的2倍。如果以海衛四的軌道平面為參考平面，海衛三的軌道是傾斜的，而且傾斜得「恰到好處」。想像一下，當海衛四正在自己的軌道上優哉遊哉地轉著，海衛三卻逐漸逼近，但在快要接近海衛四時，又逐漸跳到參考平面的上方，拉開了與海衛四的距離。這樣「刻意保持距離」的相遇每隔一段時間就會重複一次。研究人員稱之為「躲避之舞」。
研究人員認為，即使以太陽系外圍的標準來衡量，海王星這兩顆衛星的軌道構型之奇特也是前所未有的。
「我們把這種重複模式稱為共振。行星、衛星和小行星可以跳出很多不同類型的共振『舞蹈』，但這一種我們從未見過。」瑪麗娜·布羅佐維奇說。
共振，是指一物理系統在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形。就像一根繩子吊著一個鐵球在同一平面內擺動，如果總是在鐵球達到最高點時用手施加一個正向的力，球擺動的幅度就會越來越大。那麼，擺動的球和施加力的手就組成了一個處於共振狀態的物理系統。
「人們很早就發現，這種共振構型在太陽系中也普遍存在。」中國南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇在接受科技日報記者採訪時表示，共振能夠相互影響天體的軌道參數，就像一種無形的繩索一樣把2個天體或多個共振天體緊密地聯繫起來，甚至能夠「鎖定」軌道。
要知道，太陽系中存在無數個天體，每一個天體都意味著一份萬有引力。尤其當我們的研究對象是「塊頭」不大的衛星時，外界稍有擾動力，可能都會對衛星的軌道產生影響。這種情況下，也許連衛星自己都不能精確地預測，下一刻它會出現在哪個地方，是否會逃出行星的掌控。但是，如果衛星和周圍的「小夥伴」們產生共振，那麼衛星軌道就可以逐漸固定下來，軌道構型也通常會以某一特定的方式隔一段時間重複一次。共振衛星交會時，也會趨向於保持更遠的距離，以減小引力的影響，保持軌道穩定，就像此次發現的海王星兩顆衛星軌道構型一樣。
周禮勇表示，儘管衛星的軌道往往是不同軌道半徑的圓或橢圓，通常不存在相撞的風險，但共振機制無疑為避免相撞又提供了一種額外的保護機制。
傾角：為罕見之舞提供平臺
「此次發現的共振類型屬於傾角型平運動共振。」周禮勇說。
「太陽系天體之間的共振有很多類型，包括平運動共振、長期共振、軌道自旋共振等。按照參與天體的個數還可以分類成兩體共振、三體共振等。」周禮勇告訴科技日報記者，其中最常見、人們研究最多的是兩體共振中的平運動共振。
當行星、衛星之間的軌道頻率或周期相等，或存在簡單整數比關係時，我們就認為這些天體之間存在平運動共振現象。平運動共振又可細分為偏心率型共振和傾角型共振。前者的共振天體軌道平面往往處於同一平面或兩個軌道面夾角不大，如海王星和冥王星之間的3∶2共振、土衛六和土衛七之間的4∶3共振、土衛一和土衛三之間的2∶1共振；後者共振天體處於不同平面，如此次發現的海衛三和海衛四之間的73∶69共振。
「不僅傾角型共振在太陽系中十分罕見，如此大的整數比也非同尋常。」在周禮勇看來，與以往人們發現的共振模型相比，這次兩顆衛星的頻率之比更接近於1。理論上來講，大整數比的共振天體軌道不甚穩定，因為天體落入相鄰比例共振構型的機率在大大增加。以海衛三和海衛四構成的共振構型為例，稍有擾動，就可能讓這兩顆衛星的共振變為74∶69或73∶70等接近於1的數值，但如果想讓海王星和冥王星之間由3∶2共振轉變為2∶1或3∶1等其他共振，也很難實現。
因此，海衛三、海衛四這兩顆衛星靠得如此之近，且穩定運動，「很奇特，就像是被人特意放進去的一樣。」周禮勇說。