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“后宮佳麗”近百 木星的吸引力從何而來

2019-01-31 10:49

 

實習記者 代小佩

2016年進入木星軌道的“朱諾”號一直更新著人們對太陽系“巨無霸”行星的認知。近日,科學家在分析“朱諾”號第17次飛掠木星發回的數據時,發現了木衛一表面火山噴發的圖像。

自航天時代以來,人類已成功發射與木星有關的探測器共9次。盡管獲得了這顆巨行星及圍繞它的衛星和環系的部分數據,木星依然存在諸多未解之謎。比如, 2018年美國科學家宣稱發現了12顆木星衛星,使得木星的衛星總數達到79顆,令太陽系其他行星黯然失色。木星對衛星的巨大吸引力到底從何而來?

個頭大:太陽系行星中的老大哥

回答這個問題前,得先搞清楚木星從何而來。

行星發源于物質盤。“物質盤中的小塵埃顆粒聚集在一起形成大大小小的團塊,被稱為‘星子’,星子互相碰撞構成更大的團塊。”中科院上海天文臺研究員孔大力告訴科技日報記者,團塊越大引力越強,加上周圍有充足氣體,就能更快地“長大”。此時,其他小星子即便再想變大,也只能“干瞪眼”,因為周圍已經沒有多余的氣體可以吸附過來了。

若以“個頭兒”論英雄,木星無疑擁有睥睨群雄的高貴“出身”。作為太陽系中的最大行星,它的體積約為地球體積的1321倍,其質量1.898×1027公斤,約為地球質量的318倍,是整個太陽系其他行星質量總和的2.5倍。它的核心部分可能是地球的10倍重,是太陽系行星中當之無愧的“老大哥”。

木星的體積和質量為何能“獨占鰲頭”呢?

美國國家航空航天局(NASA)前天體物理學家珍妮·卡維諾斯在《<星球大戰>里的科學》中寫道,由于離恒星越近的軌道圓周長越短,制造行星的材料也越少,因而,從理論上講,離恒星越近的行星體積越小,離恒星越遠的行星體積越大。

離太陽遠的地方,氣溫也更低,更多的物質凝結起來,比如水、甲烷、氨氣,它們構成了地外行星的核心部分。行星越大,引力就越強。這就意味著它可以吸引更多輕氣體,聚集在行星周圍成為龐大的大氣層。這個過程催生了遙遠的氣態巨行星,木星正是其中的優秀代表。

孔大力則認為,木星質量大符合宇宙中的混沌現象,并無確定的理論可以解釋。“這好比把面粉撒進水中,面粉不會馬上融化,它會形成大大小小的顆粒。而我們沒有辦法決定哪一顆變大,哪一顆變小。木星質量比太陽系中其他行星質量大,同樣具有很強的隨機性。”

魅力足:俘獲衛星的高手

在質量上拔得頭籌,是木星為后宮79位“佳麗”打江山的基礎。

行星的衛星有可能是行星受撞擊后飛離自身的碎片,也可能是來自外太空的星體在運行到行星附近時被行星的引力俘獲后變成衛星。木星的衛星也不例外。

根據軌道特征和物質形態,行星的衛星分成兩類:規則衛星和不規則衛星。南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者:“規則衛星在圍繞著行星周圍物質盤中形成,它由微小塵埃顆粒逐漸長大成型,過程類似于行星在恒星周圍形成的過程。”他表示,行星質量越大,其形成時環繞于其周圍的行星周盤質量也越大、面密度越高,自然有機會形成較大的衛星。

“相比規則衛星,不規則衛星往往具有奇怪的軌道特征,以及不同的物質組成、破碎的形態。”周禮勇稱,不規則衛星一般是由其他類型的天體偶然進入行星附近之后經歷一些減速過程而留在環繞行星的軌道上,屬于被行星俘獲的衛星。

那么,如何能更有效俘獲衛星的芳心并讓它繞著你轉呢?質量大的優勢亦功不可沒。

“質量較大的行星具有更大吸引力,越容易將其他天體吸引至附近,同時大質量行星周圍的碎片或氣體盤密度也較高,可以提供更有效的‘減速剎車’作用,因而更容易俘獲衛星。”周禮勇說。

對此,他解釋道,行星軌道外圍的一顆衛星從遠處過來,如果想把它束縛在行星周圍的話,要消耗掉一些角動量或是軌道能量,這個過程需要一定的摩擦作用。“通過這種動力學摩擦,衛星與行星周盤的質量發生相互作用,這個就是我們說的減速機制。質量越大的行星周盤,減速作用越強。”

孔大力表示,靠近木星的物質不是直接被吸過來,而是受到潮汐作用后,物質飛行的動能轉化成內能,速度就會慢下來。這時候物質就容易被捕獲了。1994年,蘇梅克-列維九號彗星就是因為這個原因撞擊木星。

綜合來看,由于木星質量大,它的行星周盤密度大、質量高,有利于規則衛星的形成;同樣因為質量大,木星更易通過減速機制俘獲不規則衛星。

運氣好:遠離太陽的“采食區”

雖然木星龐大的身軀注定了它有較強的吸引力,但木星俘獲能力再強,也敵不過太陽。

木星的衛星為何沒有被太陽吸走呢?

地球與太陽相距1.5億公里,木星距離太陽7.78億公里,是日地距離的5倍。

由于木星和太陽較遠,所以周圍的物質沒有輕易被太陽“拐”走。周禮勇解釋道,這類似于動物之間的采食區。“動物有一個勢力范圍。采食區以內都是它的獵物,采食區以外就不那么容易捕食。一顆質量較大的行星若在離太陽較遠的地方形成,這顆行星的采食區就比其他行星大。就像現在的木星,能夠影響非常廣大的范圍。采食區越大,當然有利于其形成更多衛星,因為廣大采食區內的物質質量都受它控制。”

值得一提的是,如果沒有木星,被稱為“奇跡之星”的地球不可能存續至今,因為隕石撞向地球的可能性將增加1000倍以上。

與木星相對應的,是離太陽很近的水星和金星。金星、水星以及地球和火星都屬于類地行星。“類地行星形成的最后一個階段是由若干個‘行星胚胎’在內太陽系相互碰撞并合而形成的。這是一個相對‘暴虐’的過程,在此過程中行星處于非常不穩定的環境,難以保全其衛星。所以類地行星很少有衛星。”周禮勇說。

但孔大力有不同看法。“太陽系形成后,太陽系內的物質基本不會再被太陽吸走。哪怕是引力很強的黑洞,周圍一堆繞著它轉的物質,也不會掉進黑洞里面去。除非這些旋轉的物質被某種機制減速,才有可能掉下去。而且,有些行星系統中,像木星這樣的行星距離恒星也很近。所以,木星的衛星多,與它跟太陽的距離沒有很大的關系。”

“宇宙中很多現象沒有為什么,自然界的發展離不開運氣。木星天生質量大,決定了它的衛星多,不足為奇。”孔大力表示,天文學家之所以關注在木星周圍發現了新衛星,是因為在原來的觀測條件下,很小很暗的衛星非常難被發現。“如果發現新的小衛星,說明觀測水平有所提升。”

在孔大力看來,木星的衛星多一顆或少一顆都沒有違背常理。質量大,引力大,身邊的物質自然就多。“如果水星這樣小的行星周圍有幾十顆衛星,那才奇怪呢。”

 
 
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