不得了，天文知識(shí)增加了！ | 第25期

面對(duì)未知的宇宙，

人類永遠(yuǎn)是個(gè)好奇的孩子。

“不得了，天文知識(shí)增加了！”【第25期】

Q1：

宛陵Louise【提問】為什么有的星星有環(huán)，有的沒有呢……

A：

說起行星環(huán)，人們第一個(gè)想到的大概就是自帶光環(huán)的土星了，畢竟這個(gè)形象過于經(jīng)典以至于深入人心。

帶著光環(huán)的土星，這是筆者自己用的桌面屏保，由SpaceEngine生成 / 徐鵬暉

可以肯定的是，在太陽系八大行星中，擁有行星環(huán)的不止土星一個(gè)。除土星外，木星、天王星、海王星也擁有各自的行星環(huán)，只不過它們的行星環(huán)相對(duì)暗弱，難以發(fā)現(xiàn)。與之相對(duì)的是，四顆巖質(zhì)行星（水星、金星、地球、火星）目前均未發(fā)現(xiàn)有行星環(huán)存在。

海王星環(huán)的逆光拍攝照片，這張照片是從旅行者2號(hào)于1989年拍攝的兩張照片拼接而來的，由于海王星環(huán)實(shí)在太暗，拍攝時(shí)只能把過亮的海王星本體移出視野外，分別對(duì)兩側(cè)的環(huán)面單獨(dú)拍照 / 網(wǎng)絡(luò)

造成這種差異的原因是什么呢？科學(xué)家們猜測(cè)行星環(huán)的形成和行星本身的質(zhì)量及引力作用有關(guān)。像木、土、天、海這樣質(zhì)量較大的行星，引力作用也更為強(qiáng)大。一方面這會(huì)幫助它們吸引到更多的行星際物質(zhì)作為行星環(huán)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；另一方面，更大的質(zhì)量和引力使得它們具有了更大的洛希極限半徑。在洛希極限半徑內(nèi)，類似衛(wèi)星的完整星體物質(zhì)在行星的潮汐作用下將無法維持自身形狀而被扯碎，形成環(huán)繞行星的碎片物質(zhì)帶。以土星環(huán)為例，一類猜測(cè)因此認(rèn)為土星環(huán)是土星利用自身的龐大質(zhì)量吸積了行星際空間中的物質(zhì)而成的。

另一個(gè)大類的猜測(cè)是土星環(huán)源于一顆破碎的土星衛(wèi)星。這類猜測(cè)的一個(gè)較早版本認(rèn)為土星環(huán)可能由一顆類似土衛(wèi)一大小的衛(wèi)星經(jīng)歷了多次碰撞后完全破碎形成。而另一個(gè)較新的版本則認(rèn)為這顆可能存在過的衛(wèi)星在土星形成的時(shí)期就已經(jīng)被土星吞噬，但在吞噬過程中這顆衛(wèi)星的冰質(zhì)星幔被逐漸扯出衛(wèi)星主體，形成了一個(gè)環(huán)狀物質(zhì)帶，后經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的演化，形成了今天這個(gè)主要由水冰構(gòu)成的土星環(huán)。

J1407b巨大的行星環(huán)，由SpaceEngine生成 / 網(wǎng)絡(luò)

但新發(fā)現(xiàn)暗示著行星環(huán)可能存在不同的形成機(jī)理。2007年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)恒星J1407存在不尋常的凌星現(xiàn)象，而后在2012年，科學(xué)家們通過對(duì)相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀確認(rèn)了系外行星J1407b及其行星環(huán)的存在。令人驚奇的是這顆行星居然擁有一個(gè)半徑達(dá)0.6 AU的行星環(huán)。如此巨大的環(huán)半徑顯然已經(jīng)超出了該行星的洛希極限半徑，且根據(jù)科學(xué)家對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的解讀，該行星環(huán)內(nèi)似乎已有衛(wèi)星正在生成。這提示我們行星環(huán)相對(duì)于行星的整個(gè)生命周期（數(shù)十億年的時(shí)間尺度）來說可能不算是穩(wěn)定的，它的生成和消失是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。

帶著星環(huán)的妊神星，圖片長(zhǎng)寬比沒有壓縮，妊神星確實(shí)是個(gè)蛋形的，圖片由SpaceEngine生成 / 網(wǎng)絡(luò)

此外，除了行星以外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)一些小行星也擁有自己的星環(huán)。妊神星(Haumea)、小行星10199、小行星2060等星體也被發(fā)現(xiàn)存在星環(huán)結(jié)構(gòu)，但是這些小天體的引力明顯不足以將它們附近的其他天體扯碎。這些發(fā)現(xiàn)給星環(huán)又蒙上了一層新的面紗，提示我們可能還有未知的星環(huán)形成機(jī)理存在。

【智能（zhàng）機(jī)器人：你問我為什么我也……（嘆氣）】

Q2：

林冰果【提問】土星的光環(huán)是怎么形成的？如果是因?yàn)槭且Φ脑捘敲礊槭裁催€會(huì)有空隙存在？

A：

行星環(huán)的形成機(jī)理我們剛才說過了，這里主要解釋一下土星環(huán)空隙的成因叭。

一種成因是衛(wèi)星軌道共振。關(guān)于軌道共振，最典型的例子就是木星對(duì)于小行星帶小行星的半長(zhǎng)軸分布影響：軌道周期與木星軌道周期成整數(shù)比的小行星由于會(huì)周期性地受到木星的引力影響，會(huì)被拉扯出原有軌道從而無法穩(wěn)定運(yùn)行。這個(gè)效果放到土星環(huán)中同樣存在，著名的卡西尼環(huán)縫就是土衛(wèi)一的“杰作”。這個(gè)環(huán)縫存在的位置，其軌道周期剛好是土衛(wèi)一的一半。

卡西尼環(huán)縫、恩克環(huán)縫和土衛(wèi)十八，由SpaceEngine生成 / G. Cataldo, 2015

還有一種成因是衛(wèi)星的直接清理。土星環(huán)當(dāng)中也存在土星的衛(wèi)星，有些衛(wèi)星會(huì)利用其自身引力將其軌道上的土星環(huán)物質(zhì)清理掉，從而留下一個(gè)環(huán)縫。恩克環(huán)縫就是土衛(wèi)十八清理出來的。

【智能（zhàng）機(jī)器人：小衛(wèi)星胃口不錯(cuò)啊~】

Q3：

外來的陽茗【提問】土星的環(huán)為什么寬度與厚度比例差距巨大？

A：

土星環(huán)的寬度在10萬千米級(jí)別（有研究顯示可能更大），而其厚度卻只有10 米，二者相差近千萬倍。對(duì)于如此懸殊的寬厚比形成的原因，我們也許可以看看如果土星環(huán)比現(xiàn)在要厚得多，會(huì)發(fā)生什么。

如果將現(xiàn)在的土星環(huán)增厚——比如100-1000 千米——并假設(shè)它不會(huì)因此聚集成衛(wèi)星，土星環(huán)將變成一個(gè)“甜甜圈”的形狀。由于這一圈東西是以土星中心為圓心旋轉(zhuǎn)的，在“甜甜圈”中心面以外的碎塊必然會(huì)周期性地穿行于中心面。另外因?yàn)椤疤鹛鹑Α崩锏奈镔|(zhì)是近似均勻分布的，這些碎塊在不停上下穿行于中心面的同時(shí)又會(huì)發(fā)生碰撞，久而久之中心面上下兩側(cè)的碎塊都會(huì)因?yàn)榕鲎蚕嗷サ窒v向方向上的速度分量。最后，絕大多數(shù)的碎塊都會(huì)將自己的軌道集中在中心面，形成一個(gè)極其扁平的行星環(huán)。（這個(gè)過程本來應(yīng)該配張圖的，但是SpaceEngine沒有天物過程生成功能我畫不出來，所以還得麻煩編輯配張圖，后期記得把這個(gè)括號(hào)里的內(nèi)容刪去）

（(?д?; )我也畫不粗，放幾個(gè)甜甜圈行嗎？）

當(dāng)然除了行星環(huán)自身的特性決定了它不會(huì)很厚以外，前面提到的部分土星衛(wèi)星在一定程度上也發(fā)揮著“牧羊人”的作用，維持著土星環(huán)的基本形狀，使之不會(huì)向內(nèi)外擴(kuò)散。由于環(huán)內(nèi)粒子的碰撞作用，行星環(huán)自身天然有向內(nèi)外擴(kuò)散的傾向，而位于環(huán)內(nèi)側(cè)或外側(cè)的衛(wèi)星可以利用自身的引力，將環(huán)內(nèi)側(cè)的粒子往外推或?qū)h(huán)外側(cè)的粒子往內(nèi)推，從而幫助維持形狀。比如土衛(wèi)十六和土衛(wèi)十七就是F環(huán)的“牧羊衛(wèi)星”。

土衛(wèi)十六、土衛(wèi)十七和F環(huán)（兩顆衛(wèi)星中間夾著的那根細(xì)線），由SpaceEngine生成 / SpaceEngine

【智能（zhàng）機(jī)器人：咩~】

Q4：

外來的陽茗【提問】為什么八大行星只有土星的環(huán)這么大？

A：

在四顆有行星環(huán)的行星里，土星環(huán)的確是最大的行星環(huán)。至于為何獨(dú)獨(dú)是土星擁有著全太陽系里最大最亮的行星環(huán)，我們至今還不清楚（對(duì)于行星環(huán)人類實(shí)在是知之甚少）。

相比起其他行星環(huán)，土星環(huán)獨(dú)特的一點(diǎn)是它的主要成分是水冰而非塵埃和巖石碎屑，這賦予了它較高的反射率，使其更容易在順光視角下被人看見（其余三顆行星的行星環(huán)都是由航天器在逆光角度下進(jìn)行拍攝確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的）。此外根據(jù)卡西尼號(hào)任務(wù)最后階段的數(shù)據(jù)，土星環(huán)的年齡可能只有1000萬到1億年，形成時(shí)間不算太長(zhǎng)。我們可能在數(shù)億年的時(shí)間里正巧趕上了土星環(huán)最為壯觀的時(shí)刻，連侏羅紀(jì)的恐龍們都不見得有這個(gè)機(jī)會(huì)看到它（如果它們有相應(yīng)的觀測(cè)手段的話）。

【智能（zhàng）機(jī)器人：星體：時(shí)也命也?！?/p>

卡西尼號(hào)墜落土星大氣想象圖 / NASA

Q5：

幸福家園【提問】地球?yàn)槭裁礇]有星環(huán)？

A：

行星環(huán)形成首先需要物質(zhì)基礎(chǔ)。地球附近的行星際空間相對(duì)比較“干凈”，沒有能夠形成行星環(huán)的大量塵埃、水冰、巖屑等物質(zhì)。其次，地球相對(duì)外面那些“巨無霸”來說就是個(gè)“小不點(diǎn)”，本身質(zhì)量小，洛希極限半徑也小，要真弄土星那么大個(gè)的行星環(huán)給地球套上，地球也hold不住，這些行星環(huán)物質(zhì)最后可能會(huì)聚成一顆或多顆衛(wèi)星。目前就有假說認(rèn)為月球起源于地球附近的一圈環(huán)狀物質(zhì)。最后，地球還有月球這么個(gè)天然衛(wèi)星可以幫忙“打掃院落”。就算地月空間里存在行星環(huán)，月球也可以通過軌道共振將它們逐漸清理干凈，使其無法穩(wěn)定存在。

然而凡事都不是絕對(duì)的，行星環(huán)的存在也是一樣。和地球同屬巖質(zhì)行星的火星在現(xiàn)階段也是沒有行星環(huán)的，但這不代表它以后也不會(huì)有。火星的洛希極限距離大約為4500 千米，而火衛(wèi)一目前正在火星引力的作用下逐漸靠近火星，并將在幾千萬年后最終面臨解體的結(jié)局。屆時(shí)解體后的它將化為火星的行星環(huán)，繼續(xù)照亮火星的天空。

【智能（zhàng）機(jī)器人：星環(huán)不是你想有，想有就能有?！?/p>

火星環(huán)想象圖 / 網(wǎng)絡(luò)

Q5：

襲月【提問】如果月球碎成星環(huán)，地球會(huì)變成什么樣子呢？

A：

首先我們來看看，讓月球碎成行星環(huán)的條件是什么？

假如我們想讓月球原地碎裂，僅憑人類目前的力量還無法做到，所以可能的情況應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)月球來說不算小的外來天體把月球撞了個(gè)粉碎性骨折。但這種方式形成的行星環(huán)不夠穩(wěn)定，這些在月球軌道上的碎片還是有機(jī)會(huì)在撞擊發(fā)生后的一段時(shí)間里重新聚集起來形成一顆新的衛(wèi)星，因?yàn)樵虑蜃畛蹩赡芫褪菑沫h(huán)繞地球的一圈物質(zhì)環(huán)中形成的。

因此我們可以嘗試第二種方法，也就是把月球拖進(jìn)地球的洛希極限以內(nèi)，利用地球的引力將月球扯碎。但這個(gè)方法以目前人類的力量同樣是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)檫@需要把月球拖到離地球只有9500千米的地方，這比起目前的地月距離——38萬千米已經(jīng)算是很近了（這種操作要是玩砸了搞不好就是地月相撞）。

正常的地月距離看起來是這樣的，圖像由SpaceEngine生成。 / SpaceEngine

但當(dāng)月球距離地球只有9500千米時(shí)…… / SpaceEngine

從地球上看，9500千米處的月球大小會(huì)非?？植?。 / SpaceEngine

但不管如何（在地球OL里開掛），我們還是成功做到了把月球拉進(jìn)地球的洛希極限以內(nèi)并扯碎成一個(gè)完整的行星環(huán)（暫且叫它“地球環(huán)”吧），在此之后又會(huì)發(fā)生什么呢？

一個(gè)稍微經(jīng)過計(jì)算就能看出的結(jié)果是，會(huì)有巨量的月球物質(zhì)變成隕石砸在地球上。月球的質(zhì)量著實(shí)不可小覷，哪怕龐大如土星環(huán)，其質(zhì)量也不超過月球的千分之一，更別說“地球環(huán)”了。因此絕大部分的月球物質(zhì)將轉(zhuǎn)化為小天體砸向地表，那估計(jì)將是一場(chǎng)曠世浩劫。

這似乎不是一個(gè)我們能接受的結(jié)果——為了一個(gè)“地球環(huán)”把地球毀了，因此我們?cè)俅渭?kai)設(shè)(gua)月球碎裂后，除了用于形成“地球環(huán)”的那部分物質(zhì)，其余物質(zhì)都被某種引力過程甩到行星際空間去了，沒有直接撞擊地球形成危害。接下來又會(huì)發(fā)生什么呢？

從太空中看“地球環(huán)”。 / SpaceEngine

首先由于太陽的潮汐力，潮汐現(xiàn)象仍然存在，只不過漲潮落潮幅度會(huì)比原來小，且大小潮現(xiàn)象會(huì)消失。另外地球自轉(zhuǎn)軸傾角的變化將比以往更為劇烈，因?yàn)槭チ嗽虑虻姆€(wěn)定作用。與自轉(zhuǎn)軸傾角變化加劇一道，“地球環(huán)”將通過對(duì)陽光照射的遮擋改變?nèi)驓夂颦h(huán)境。這些都會(huì)對(duì)地球的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顛覆性的影響。再者，作為“地球環(huán)”的附加產(chǎn)品，隕石墜落和流星的發(fā)生概率將大大增加，這是因?yàn)榈厍驎?huì)從“地球環(huán)”的內(nèi)側(cè)逐漸“吃掉”“地球環(huán)”的質(zhì)量（卡西尼號(hào)已在土星觀測(cè)到類似現(xiàn)象）。然而“地球環(huán)”對(duì)人類科技最直接的影響也許莫過于對(duì)航天器發(fā)射的巨大阻礙?！暗厍颦h(huán)”的存在將使得中低軌的衛(wèi)星、飛船和空間站面臨比以往更嚴(yán)重的空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)，衛(wèi)星星座組網(wǎng)、導(dǎo)航、通信都將面臨前所未有的困難。

從暮光里看天空中巨大的“地球環(huán)”。 / SpaceEngine

所以一個(gè)“地球環(huán)”盡管能讓地球無論是從外太空看起來還是從地面向天空看上去都很拉風(fēng)，但我們?cè)诘厍蛏系纳羁赡懿灰姷帽任覀冎爸粨碛幸粋€(gè)月球的時(shí)候要好。

【智能（zhàng）機(jī)器人：來啊，造作啊?！?/p>

至少在有月球的時(shí)候你偶爾還能像這樣把它捏在手里

《中國(guó)國(guó)家天文》11月刊

感謝奇怪天文知識(shí)智囊?guī)斓膬A囊相助 / 徐鵬暉

科學(xué)審核 / 茍利軍

策劃 / 黃京一 懷塵 編輯 / 懷塵 諾諾

中國(guó)國(guó)家天文

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