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“后宫佳丽”近百 木星的吸引力从何而来

2019-01-31 09:06来源:科技日报

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  2016年进入木星轨道的“朱诺”号一直更新着人们对太阳系“巨无霸”行星的认知。近日,科学家在分析“朱诺”号第17次飞掠木星发回的数据时,发现了木卫一表面火山喷发的图像。

  自航天时代以来,人类已成功发射与木星有关的探测器共9次。尽管获得了这颗巨行星及围绕它的卫星和环系的部分数据,木星依然存在诸多未解之谜。比如, 2018年美国科学家宣称发现了12颗木星卫星,使得木星的卫星总数达到79颗,令太阳系其他行星黯然失色。木星对卫星的巨大吸引力到底从何而来?

  个头大:太阳系行星中的老大哥

  回答这个问题前,得先搞清楚木星从何而来。

  行星发源于物质盘。“物质盘中的小尘埃颗粒聚集在一起形成大大小小的团块,被称为‘星子’,星子互相碰撞构成更大的团块。”中科院上海天文台研究员孔大力告诉科技日报记者,团块越大引力越强,加上周围有充足气体,就能更快地“长大”。此时,其他小星子即便再想变大,也只能“干瞪眼”,因为周围已经没有多余的气体可以吸附过来了。

  若以“个头儿”论英雄,木星无疑拥有睥睨群雄的高贵“出身”。作为太阳系中的最大行星,它的体积约为地球体积的1321倍,其质量1.898×1027公斤,约为地球质量的318倍,是整个太阳系其他行星质量总和的2.5倍。它的核心部分可能是地球的10倍重,是太阳系行星中当之无愧的“老大哥”。

  木星的体积和质量为何能“独占鳌头”呢?

  美国国家航空航天局(NASA)前天体物理学家珍妮·卡维诺斯在《<星球大战>里的科学》中写道,由于离恒星越近的轨道圆周长越短,制造行星的材料也越少,因而,从理论上讲,离恒星越近的行星体积越小,离恒星越远的行星体积越大。

  离太阳远的地方,气温也更低,更多的物质凝结起来,比如水、甲烷、氨气,它们构成了地外行星的核心部分。行星越大,引力就越强。这就意味着它可以吸引更多轻气体,聚集在行星周围成为庞大的大气层。这个过程催生了遥远的气态巨行星,木星正是其中的优秀代表。

  孔大力则认为,木星质量大符合宇宙中的混沌现象,并无确定的理论可以解释。“这好比把面粉撒进水中,面粉不会马上融化,它会形成大大小小的颗粒。而我们没有办法决定哪一颗变大,哪一颗变小。木星质量比太阳系中其他行星质量大,同样具有很强的随机性。”

  魅力足:俘获卫星的高手

  在质量上拔得头筹,是木星为后宫79位“佳丽”打江山的基础。

  行星的卫星有可能是行星受撞击后飞离自身的碎片,也可能是来自外太空的星体在运行到行星附近时被行星的引力俘获后变成卫星。木星的卫星也不例外。

  根据轨道特征和物质形态,行星的卫星分成两类:规则卫星和不规则卫星。南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者:“规则卫星在围绕着行星周围物质盘中形成,它由微小尘埃颗粒逐渐长大成型,过程类似于行星在恒星周围形成的过程。”他表示,行星质量越大,其形成时环绕于其周围的行星周盘质量也越大、面密度越高,自然有机会形成较大的卫星。

  “相比规则卫星,不规则卫星往往具有奇怪的轨道特征,以及不同的物质组成、破碎的形态。”周礼勇称,不规则卫星一般是由其他类型的天体偶然进入行星附近之后经历一些减速过程而留在环绕行星的轨道上,属于被行星俘获的卫星。

  那么,如何能更有效俘获卫星的芳心并让它绕着你转呢?质量大的优势亦功不可没。

  “质量较大的行星具有更大吸引力,越容易将其他天体吸引至附近,同时大质量行星周围的碎片或气体盘密度也较高,可以提供更有效的‘减速刹车’作用,因而更容易俘获卫星。”周礼勇说。

  对此,他解释道,行星轨道外围的一颗卫星从远处过来,如果想把它束缚在行星周围的话,要消耗掉一些角动量或是轨道能量,这个过程需要一定的摩擦作用。“通过这种动力学摩擦,卫星与行星周盘的质量发生相互作用,这个就是我们说的减速机制。质量越大的行星周盘,减速作用越强。”

  孔大力表示,靠近木星的物质不是直接被吸过来,而是受到潮汐作用后,物质飞行的动能转化成内能,速度就会慢下来。这时候物质就容易被捕获了。1994年,苏梅克-列维九号彗星就是因为这个原因撞击木星。

  综合来看,由于木星质量大,它的行星周盘密度大、质量高,有利于规则卫星的形成;同样因为质量大,木星更易通过减速机制俘获不规则卫星。

  运气好:远离太阳的“采食区”

  虽然木星庞大的身躯注定了它有较强的吸引力,但木星俘获能力再强,也敌不过太阳。

  木星的卫星为何没有被太阳吸走呢?

  地球与太阳相距1.5亿公里,木星距离太阳7.78亿公里,是日地距离的5倍。

  由于木星和太阳较远,所以周围的物质没有轻易被太阳“拐”走。周礼勇解释道,这类似于动物之间的采食区。“动物有一个势力范围。采食区以内都是它的猎物,采食区以外就不那么容易捕食。一颗质量较大的行星若在离太阳较远的地方形成,这颗行星的采食区就比其他行星大。就像现在的木星,能够影响非常广大的范围。采食区越大,当然有利于其形成更多卫星,因为广大采食区内的物质质量都受它控制。”

  值得一提的是,如果没有木星,被称为“奇迹之星”的地球不可能存续至今,因为陨石撞向地球的可能性将增加1000倍以上。

  与木星相对应的,是离太阳很近的水星和金星。金星、水星以及地球和火星都属于类地行星。“类地行星形成的最后一个阶段是由若干个‘行星胚胎’在内太阳系相互碰撞并合而形成的。这是一个相对‘暴虐’的过程,在此过程中行星处于非常不稳定的环境,难以保全其卫星。所以类地行星很少有卫星。”周礼勇说。

  但孔大力有不同看法。“太阳系形成后,太阳系内的物质基本不会再被太阳吸走。哪怕是引力很强的黑洞,周围一堆绕着它转的物质,也不会掉进黑洞里面去。除非这些旋转的物质被某种机制减速,才有可能掉下去。而且,有些行星系统中,像木星这样的行星距离恒星也很近。所以,木星的卫星多,与它跟太阳的距离没有很大的关系。”

  “宇宙中很多现象没有为什么,自然界的发展离不开运气。木星天生质量大,决定了它的卫星多,不足为奇。”孔大力表示,天文学家之所以关注在木星周围发现了新卫星,是因为在原来的观测条件下,很小很暗的卫星非常难被发现。“如果发现新的小卫星,说明观测水平有所提升。”

  在孔大力看来,木星的卫星多一颗或少一颗都没有违背常理。质量大,引力大,身边的物质自然就多。“如果水星这样小的行星周围有几十颗卫星,那才奇怪呢。”(记者 代小佩)

[责编:武玥彤]

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