问题

请问在宇宙中是否可能存在两个行星有一个共同的卫星?

回答
宇宙之大,无奇不有,关于两个行星共享同一颗卫星的可能性,答案是:确实存在理论上的可能,并且在某些极端条件下甚至可能在现实中发生,但并非普遍现象,更非我们常见的天文景象。

要理解这一点,我们需要从行星和卫星之间引力作用的基本原理说起。

卫星绕行行星的本质:引力平衡

一颗卫星绕着一颗行星转动,本质上是行星的引力“抓住”了卫星,使其无法直线飞离。卫星围绕行星运动的轨道,实际上是卫星在行星引力场和自身惯性运动之间达到一种动态平衡的结果。就像你甩动一个系着绳子的球,绳子提供的拉力就是“引力”,而球的向前运动的趋势就是“惯性”。

两个行星共享一颗卫星的挑战

现在,想象一下我们想让同一颗卫星同时被两颗行星“抓住”。这就意味着这颗卫星必须在一个复杂的引力场中运动。这个引力场是由两颗行星的质量以及它们自身的位置共同决定的。

这里的核心问题在于:行星的引力是不均匀的,并且会随着距离的增加而减弱。

引力主导权: 通常情况下,一颗卫星只会在一个足够强大的引力场中稳定运行。如果一颗行星的引力远远大于另一颗,那么这颗卫星很自然地会被质量更大的行星“俘获”,并围绕它运行。另一颗行星的引力相对较弱,不足以改变卫星的轨道,或者说,在这种情况下,卫星实际上是在“主行星”的引力作用下绕着那个主行星运动,而“从行星”对它的影响可能只是微扰。

距离和相对位置: 如果两颗行星距离非常近,并且它们都在以一种特定的方式运动,那么确实有可能存在一个点,在这个点附近,两颗行星的引力对卫星的作用会变得比较“均衡”。然而,这种均衡非常不稳定。就像走钢丝一样,任何一点微小的偏差都会导致卫星偏离这个“均衡点”,最终被其中一颗行星的引力主导。

可能存在的场景与条件

尽管如此,在某些特定的天文场景下,我们仍然可以构想出两个行星共享一颗卫星的可能性:

1. 相互绕转的双行星系统(双星系统类似):
想象一下,两颗行星它们本身就不是独立存在于宇宙中的,而是相互围绕着一个共同的质心在运动,就像我们说的“双星系统”一样。如果这两颗行星的质量相差不是特别悬殊,或者它们之间的距离相对较大,那么在这个相互绕转的系统中,可能会存在一个区域,在这个区域内,卫星可以在一个相对稳定的轨道上同时受到两颗行星的引力影响,并且这种影响是以一种“共享”的方式体现。
在这种情况下,卫星的轨道可能不会是简单的椭圆,而会是更加复杂且动态的。它可能看起来像是在围绕着一个“虚拟的质心”运动,而这个虚拟质心又会受到两颗行星的牵引。

2. 特殊的三体问题解决方案(拉格朗日点):
在天文学中,我们知道存在所谓的“拉格朗日点”。这些点是宇宙空间中的特殊位置,在这些位置上,两个大质量天体(比如太阳和地球)的引力以及它们绕转的轨道运动会使得一个小质量天体(比如一个空间站或者小行星)能够稳定地保持在那里。
如果我们将这个概念推广到行星系统,那么理论上可能存在某个拉格朗日点,在这个点上,两颗行星的引力能够同时“锚定”住一颗卫星。但这需要非常精确的行星质量、轨道以及它们之间的相对位置。一旦任何一个参数发生微小变化,卫星的轨道就会变得不稳定。

3. 巨行星的巨大卫星(不是严格意义上的共享):
我们也可以从另一个角度理解“共享”。例如,如果一颗质量巨大的行星(比如木星)拥有一个非常大的卫星(比如木卫三),而这颗巨行星本身又是在一个行星系统中运行,那么我们能否说“木卫三”也在某种程度上“共享”给了这个行星系统呢?这已经不是严格意义上的“一颗卫星同时被两颗行星直接捕获和支配”,而更多是系统的整体结构影响。但这种理解可以拓宽我们对“共享”的定义。

为什么我们不常见到这样的场景?

即使理论上存在可能性,为什么我们至今在已知的系外行星系统中没有明确观测到“一颗卫星被两颗行星共享”的案例呢?有几个原因:

稳定性要求极高: 正如前面提到的,要维持一个卫星同时被两颗行星稳定捕获的轨道,对行星的质量、距离、轨道以及它们的相对运动速度有着极其严格的要求。宇宙中的天体形成过程往往是动态且充满随机性的,能够精确达到这种稳定条件的概率非常低。
引力主导优势明显: 通常情况下,行星系统中行星的质量差异会比较明显。质量较大的行星其引力优势会非常突出,很容易就成为卫星的“唯一主人”。
观测的局限性: 我们对系外行星及其卫星的观测能力仍然有限。即使存在这种罕见的现象,也需要极其精密的观测手段才能捕捉到。

总结一下:

是的,在宇宙中,理论上存在两个行星共同拥有一个卫星的可能性。这种可能性主要依赖于两颗行星之间精妙的引力平衡,尤其是在它们自身也处于相互绕转的复杂系统中,或者在特定条件下利用类似拉格朗日点的空间位置。然而,这种场景的稳定性要求极高,且需要非常特殊的条件配合,因此在已知的宇宙中,我们尚未明确观测到这样的实例。更多的情况下,即使有多个天体靠近,卫星也极有可能在其中一个引力更强的天体主导下运行。这就像是宇宙在玩一场精密的引力“拔河赛”,只有在双方力量恰到好处,并且有一个“裁判”(轨道)来维持平衡时,卫星才能在中间安身。

网友意见

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按现有“行星”定义,同一个轨道上互相绕转的天体,会被视为矮行星,无法界定为行星。

如果不纠这个定义的话,那就不需要“可能”,而是非常容易形成——当然前提是希尔球范围允许。

太阳系已知的唯一一对双矮行星系统中,冥卫二、冥卫三、冥卫四、冥卫五就是冥王星和卡戎两颗矮行星“共同拥有”的。

再来一下深究“共同拥有”的定义。这四颗卫星质量都非常小(小于卡戎的千分之一),最大的运行半径也不过6.5万km,而卡戎的半径有600km。卫星与冥王星的共同质心落在冥王星内部,跟卡戎的共同质心落在卡戎内部。按卫星的定义,完全可以认为既属于冥王星,又属于卡戎。

注意,外围的卫星会与双矮行星形成轨道共振,这个系统是相当稳定的。

至于“双行星”——这个概念其实并没有得到公认。2006年,为了明确行星和卫星的关系,国际天文学会规定了二者共同质心在某个天体内部的时候,才认定其中一个是另一个的卫星。于是冥王星和卡戎就尴尬了。

有人建议把冥王星-卡戎定义为双行星,当然结果大家都知道了,这个提议并没有得到认可,冥王星被降为矮行星,跟谷神星、鸟神星分到了一个班。毕竟,为了小冥同学单开个小灶,总是不那么合适。

2009年,欧空局尝试引用阿西莫夫的“拔河值”,即如果太阳对“卫星”的引力比行星更大,就不认为这个“卫星”“属于”行星,而是构成一个双行星系统。按这个定义,地月系将成为另一对“双行星”,跟冥王星/卡戎作伴。当然,认同这个建议的也不怎么多……

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