问题

为什么没有围绕行星的卫星转动的星体?

回答
咱们聊聊为啥大多数时候,行星身边只有月亮这么一类“忠实伴侣”,而找不到那种像我们地球和月亮关系一样,围绕着行星旋转的“小行星”或者“其他行星”呢?这事儿说起来,其实涉及到天文学里几个挺核心、也挺有意思的道理。

首先,得说说“形成”这事儿。太阳系,包括咱们的地球和月亮,都是从一大团星云里“捏”出来的。这团星云里大部分是氢和氦,但也夹杂着不少其他重元素。这些东西在引力作用下慢慢收缩,中间密度越来越大,最终点燃了核聚变,成了太阳。而围绕着太阳旋转的这些尘埃和气体,也慢慢吸积,形成了行星。

那为啥行星的“邻居”——也就是那些小行星、彗星,或者我们看到的其他行星——就不像月亮一样,老老实实地围绕着行星转呢?这跟它们“出身”的方式和“性格”有很大关系。

1. “嫡系”和“旁系”:形成时的不同遭遇

卫星(月亮们)的形成: 很多行星的卫星,尤其是那些比较大的,它们的形成过程其实也挺像小行星带里那些小家伙的。在行星形成的时候,行星周围还有一圈旋转的盘状物质(叫做“原行星盘”)。这些物质受到行星自身引力的影响,有一部分就被“捕获”了,然后慢慢吸积、碰撞,最终形成了卫星。想象一下,就像一个大房子(行星)在建造过程中,旁边的一些零散材料(原行星盘里的物质)被它自己的重力吸引,围着它搭了个小棚子(卫星)。

小行星和彗星的“孤儿”身份: 大部分小行星和彗星,它们的形成是在太阳系早期,但它们主要是在巨大的行星,特别是像木星这样的“巨无霸”周围,以及在更外围的“柯伊伯带”和“奥尔特云”那里形成的。它们没能像行星一样,在各自的轨道上“扎根”,而是由于各种引力扰动,比如木星的强大引力,被抛射到太阳系的各个角落,或者被困在特定区域,像小行星带。所以,它们是“孤儿”,没有被某个行星“收养”并稳定地环绕。

其他行星的“平行世界”: 至于为什么我们看不到一个行星围绕另一个行星转,这更简单了。在太阳系形成初期,那些足够大的、有能力成为行星的天体,它们都在各自的轨道上,并且已经清空了轨道上的大部分其他物质。它们的引力场强大,虽然会影响到彼此,但最稳定的状态就是围绕着太阳公转。你想想,如果一个地球围绕着火星转,那会是什么景象?这需要极大的能量和特殊的引力条件才能实现,而且非常不稳定。

2. 引力“大战”:谁说了算?

行星的引力很强,它能吸引并稳定住周围的卫星。但是,如果一个天体自身的质量也很大,它就会想“独立门户”。

行星的“主导权”: 行星的质量足够大,它就能在自己的轨道上拥有“主导权”,清除轨道上很多“小弟”。而它的卫星,虽然质量也不能算小,但相比行星,还是处于被“支配”的状态。这种支配关系,让它们能稳定地围绕行星转。

两个“差不多大”的争夺: 如果两个天体的质量非常接近,它们之间会展开一场“引力大战”。通常情况下,质量更大的那个会赢得更多“地盘”,而质量小的那个可能会被抛出去,或者被巨大的引力撕裂,也可能被挤压到更深的轨道里。但很难形成那种稳定、互不干扰的“双行星”绕着一个共同质心转,又同时围绕着太阳转的局面。更可能的是,其中一个最终会主导,或者两者都受到太阳的强大引力影响,而无法稳定地互相绕转。

3. 轨道稳定性:行星更“恋旧”

天体的轨道就像是它们在宇宙中的“舞步”,而稳定是它们的首要目标。

卫星的“贴身舞”: 卫星围绕行星转,就像是一种“贴身舞”。行星的引力能够有效地“拉住”卫星,不让它跑掉,同时也能保持它在一个相对稳定的椭圆形轨道上。

行星的“社交距离”: 行星围绕太阳转,它们之间会保持一个相对安全的“社交距离”。如果有哪个行星过于靠近另一个行星,它们之间的引力就会产生强烈的扰动,导致它们的轨道变得非常不稳定,最终可能会发生碰撞,或者被抛出太阳系。所以,稳定的轨道是它们生存的必备条件。

4. “特殊情况”还是有,但罕见

虽然说没有围绕行星转动的“星体”,听起来像是铁律,但宇宙总是充满惊喜。

双星系统(不太像): 在一些双星系统中,两颗恒星会互相围绕同一个质心旋转。这和行星绕恒星,卫星绕行星有些类似,但恒星的质量级别完全不同。

“共轨”小行星(非常罕见且短暂): 有极少数情况下,一些小行星可能会短暂地与某个行星分享轨道,比如达到所谓的“特洛伊小行星”。它们通常位于行星轨道上的拉格朗日点(L4和L5点),在那里,行星和太阳的引力达到一个平衡,小行星可以相对稳定地跟随行星绕太阳公转。但它们并不是围绕行星“转”,而是和行星一起“走”,并且它们的轨道本身也是围绕太阳的。而且,这些位置也不是绝对稳定的,时间久了也可能发生变化。

总结一下, 为什么我们没看到围绕行星转动的“其他行星”或者“像样的”小行星呢?主要就是因为:

1. 形成方式不同: 卫星是行星形成时“附带”的,而其他行星、小行星、彗星则是在太阳系早期,在不同的区域“各自为政”形成的。
2. 引力关系不对: 行星的引力强大到足以“收编”卫星,但行星之间质量太接近,容易互相干扰,无法形成稳定的互绕关系。
3. 轨道稳定性优先: 宇宙更倾向于稳定。行星围绕太阳公转,卫星围绕行星公转,这是最稳定、最符合物理规律的“合作模式”。

所以,你可以把行星想象成一个个“独立王国”,它们有自己的“王后”(卫星),但不太可能接受另一个“独立王国”成为自己的“臣民”,然后围着自己转。它们更喜欢各自在宇宙大舞台上,按照自己的剧本,沿着既定的轨道“跳着自己的舞”。

网友意见

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准确点说是“没观察到”卫星的天然卫星——不排除未来会发现,后面会有说明。

首先引入一个重要的概念——希尔球——卫星能够稳定围绕行星运行的最大范围。超过这个范围,卫星就将受恒星的扰动,随时会揭竿起义脱离行星了。注意希尔球是一个“最大”范围,一般认为只有1/2甚至1/3希尔球半径以内,才足够稳定到经过几十亿年,仍然能被我们看到。

希尔球主要取决于恒星和行星的质量以及行星轨道。很直观的:恒星质量越大,对卫星的扰动越大;行星的质量越大,或者天高皇帝远,行星对卫星的控制力就越强。

对于恒星-行星-卫星三级系统,行星只要够大,距离恒星够远,就总能自立门户,养一堆卫星小弟。但是如果再加上一级系统,庞大的行星引力会削弱卫星对下一级星体的影响力,造成卫星的希尔球范围很小,甚至与洛希球接近,甚至贴近卫星表面,就没有空间容纳下一级星体了。

当然问题不是无解的,这颗大行星可以距离恒星足够远,这样它的卫星也可以在距离行星较远的轨道上运行,可以拥有下一级天体的稳定运行空间。然而对于太阳系这样原生的行星系统,尽管恒星的引力范围其实非常大,但是远离恒星的区域,星际物质稀薄,缺乏形成足够大的行星及卫星的条件。

总结一下:

洛希极限和卫星密度限制了最底层星体公转半径的下限,原行星盘物质分布限制了大行星公转半径的上限,希尔球又要求上下级系统之间有足够大的数量级差异。这三个限制条件决定了,对于太阳系,容下稳定运行的四级系统的概率较小。

这其实还不是无解的,以上限制只对原生行星有效,如果是俘获的大行星就未必了。流浪行星被俘获并且在远离恒星的轨道上运行的条件异常苛刻,但是毕竟不是没有。然而,即便有,也太远了。寻找太阳系第十行星已经如此之难,观察它的卫星系统,并且还要是公转半径较大的卫星,更远远超出目前的观测水平。

当然,太阳系处于银河系的偏僻角落,星际物质本来就偏少,那么放眼太阳系外呢?在宇宙中物质相对充盈的区域,这样的四级系统未必无法形成。

我们对太阳系外行星的观测,最主要的是径向速度法和凌日法。很遗憾,这两种方法都要求行星较大,距离恒星较近。远离恒星的大行星,公转角速度太小,对恒星引起的径向速度小,引起的多普勒效应无法被观测到;同时,发生凌日的机会也更少,周期太长,即便及其幸运的观测到一次,也无法确定是行星的凌日还是星际尘埃的遮挡。连系外行星观测本身都如此难,更何况观测其卫星系统了。

所以,近的条件不够充裕(不是不可能,其实月球还是蛮有条件拥有一个小卫星的),远的看不到,这就是我们始终没有观察到卫星之天然卫星的原因。

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