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另类的世界:太阳系中10颗最奇怪的卫星zz

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另类的世界:太阳系中10颗最奇怪的卫星

via 科学松鼠会 by Shea on 4/11/11

Stephen Battersby 文 Shea 编译

从大小上讲,卫星不得不向行星屈膝。但在“个性”上,却往往比它们平淡的“父母”更胜一筹。太阳系中已经命名的卫星数量和行星之比超过了20比1,展现出了惊人的多样性。其中一些自身的复杂性不输给任何的行星,例如土卫六。另一些则兴许可能是生命的避难所,例如由冰壳覆盖的水世界木卫二。哪怕是最小的卫星也充满着神秘,最明显的就是那些围绕土星公转的“飞碟”。

今年是伽利略发现木星的四大卫星400周年,从那以后人类所知道的卫星数量就开始了成倍地增长。

冰的地狱:木卫一

遍布硫磺坑、沐浴着强辐射、火山不断震颤着大地,木卫一就犹如太阳系中的炼狱。

尽管木卫一上天寒地冻到足以形成二氧化硫霜冻,但这颗最靠近木星的大型卫星的火山却是最知名的。在不到地球表面1/12的面积上喷涌出的熔岩超出了地球所有火山总和的100倍以上。木卫一的表面散布着翻腾着气泡的熔岩湖,其中最大的直径超过200千米。

在其他地方,岩浆则可以突然从地底冒出,绵延50千米以上。2007年当美国宇航局的“新视野”探测器在去往冥王星的途中掠过木星的时候探测到了这些岩浆海所释放出的热量。

木卫一上的某些火山喷发极为剧烈,由此导致的羽状气体、尘埃云可以向太空延伸出500千米。这可能是由于熔岩流使得木卫一表面凝固的二氧化硫气化或者是熔岩中的气体上升将物质抛射出木卫一表面而造成的。


[图片说明]:木卫一及其表面的火山喷发。版权:NASA/JPL/Univ. of Arizona。

所有这一切汹涌的火山活动都是木卫一处于木星以及它的两个兄弟木卫二和木卫三之间“漩涡”的结果。木卫二和木卫四的轨道周期正好分别是木卫一的2倍和4倍,于是这三颗卫星经常会排成一线。随着时间的推移,这一周期性的引力会合会逐渐把木卫一推入一条椭圆轨道。

因此,当木卫一绕木星转动的时候,木星的引力就会时强时弱,拉伸、扭曲木卫一上的岩石。这些压力和张力会通过被称为“潮汐加热”的过程来使得木卫一升温。这一效应对木卫一的影响极为巨大,它可以融化岩石并且造就火山。

如此极端的火山活动在宇宙中或许是普遍的。例如,最近发现的行星COROT-7b就有着一条非常靠近其宿主恒星的轨道,由此也经历着很强的引力作用。只要它的轨道稍稍偏离正圆形,那里的潮汐加热作用就足以让这颗行星拥有火山。因此,木卫一可能为我们提供了一瞥数百万颗太阳系外地狱般行星的机会。

可能是因为木卫一的轨道正在逐渐变圆,它自身似乎也在慢慢冷却。在从今往后的数千万或者数亿年里,木卫一与木卫二和木卫三的轨道共振很可能会渐渐瓦解,这会让木卫一进入了一条没有潮汐加热的近圆形轨道。此后,木卫一的火山也将最终睡去。

阴阳:土卫八

只消粗粗地看上一眼就能发现土星卫星土卫八的奇特。它有着一张“阴阳”脸——一半黑,一半白。它的形状也颇为怪异,两极扁平、两侧则被压扁。一座山脉贯穿于半条赤道,使得它看上去就像一个核桃。

土卫八“阴”面上的物质的确非常黑,但它们仅有薄薄的一层,厚度不超过1米。它们覆盖了土卫八的前导半球——在其做轨道运动时朝前的一侧,表明这些黑色的物质是土卫八在绕土星公转的过程中从周围的太空中获得的。这些物质可能来自土星外围小型、深色卫星碰撞的残骸。


[图片说明]:土卫八。版权:NASA/JPL/SSI。

通过加热黑色的地区使得冰升华,阳光使得土卫八的差别变得更为明显。水蒸汽随后会环绕整颗卫星运动,在温度较低的后随半球凝固成一层白色的霜。

土卫八的形状也难解释。在刚形成时它还处于熔融状态并且有着快速的自转,由此可以自然地造就目前的形状。如果土卫八外层是在那个时候固化的,当时的一些特征就有可能被保留下来。但这一理论不能很好地解释其赤道上的山脉,它仍然是一个谜。

土卫八的组成也十分特殊。它的低密度意味着它大约80%是冰,岩石只占20%,和外太阳系其他大型卫星相比这一混合模式要轻得多。任何试图想解释整个太阳系卫星形成的理论都必须要考虑这颗独特的冰卫星。

活的雪球:木卫二、土卫二和海卫一

看似暗淡冰冷的木卫二、土卫二和海卫一表面其实是太阳系中最活跃的地方。它们甚至还拥有适合生命的温暖栖息地。

木星的卫星木卫二被布满裂缝的冰层所覆盖。但是,它的岩石核心却由于其椭圆的轨道正经历着木星引力的潮汐加热(见“冰的地狱:木卫一”)。这也许会产生足够的热量在木卫二冰冻的表面之下维持一个液态的海洋。


[图片说明]:不同色彩的木卫二。左:自然颜色;右:紫外、绿光、红外增强影像。版权:NASA/JPL/DLR。

如果这一海洋能延伸到它的核心,黑暗海底的热液喷口就能够提供可以供养微生物甚至虾体型大小的食肉动物所需的营养物质。

土星的卫星土卫二则更为活跃。位于其南极的一系列喷口会喷射出水蒸汽和冰晶。其中一些会回落到土卫二的表面,宛如一件亮闪闪的冬装,使得它成为了太阳系中最白的天体。其余的物质则会逃逸出去,形成一个环绕土星的雾状环。

这些喷口可能植根于其下方的内部海洋。如果真是这样,那么微生物也有可能会在喷发的过程中被喷射出来,飞过的探测器就能捕捉到它们。因此土卫二上的生命会比禁锢在木卫二冰层下的更容易探测。


[图片说明]:土卫二及其南极的喷发(左上插图)。版权:NASA/JPL/SSI。

然而,要想在土卫二上生存却不是一件容易的事情。土卫二的所有活动可能都源自潮汐加热。而土卫二的轨道则存在着超过几亿年的周期变化,由此也造成了它显著的气候周期变化。如果在最寒冷的时期土卫二的海洋完全冻结的话,那这对于生命而言无疑是灭顶之灾。

即使是寒冷的木卫二和土卫二,它们的平均表面温度也有大约-170℃和-200℃,相对于海王星最大的卫星海卫一可以算是温暖的天堂了,后者的温度一直在-230℃以下徘徊。海卫一的表面含有各种不同种类的冰,包括了水、氮和甲烷的混合物。

但就算这样一个冰冷的地方却也令人惊讶地具有地质活动。当阳光蒸发氮的时候就会出现喷发,海卫一由氮组成的稀薄大气还拥有会随着季节变化的气候模式。

与木卫二和土卫二一样,海卫一地势平缓,鲜有陨石坑。这说明它的表面非常年轻——可能还不到1千万年,仅仅是其40亿年历史的沧海一粟。海卫一年轻的源泉被认为是其会喷发出液态水和氨的火山,这些新鲜的物质凝固之后就会覆盖海卫一的表面,抹去岁月的痕迹。


[图片说明]:海卫一。版权:NASA/JPL。

海卫一过去可能曾经和矮行星冥王星一样是独立于海王星绕太阳公转的。事实上,海卫一的大小和冥王星相同,也有着相似的组成,这说明它们有着类似的起源。更有力的证据是,它是逆向绕海王星转动的,即和海王星的自转方向相反。如果海卫一和海王星是形成于同一片气体和尘埃云的话,就不可能出现这一情况。相反,这预示海卫一可能是被海王星俘获的。

俘获这么大的天体并非易事。海卫一可能和海王星已有的卫星发生了碰撞,从而大幅减速才被海王星的引力束缚住。更可能的一种情况是,它始于一个矮行星双星系统。其中一颗在和海王星的引力交会中被以高速甩了出去,而海卫一则被留在了海王星的身边。

除了本身做为一颗可圈可点的卫星之外,海卫一也为我们提供了所有尚未被涉足的矮行星的朦胧图像。这些矮行星不仅仅包括了冥王星,还有阋神星、鸟神星、妊神星,它们中也许还有几十颗依然徘徊在黑暗的太阳系外围。

飞碟:土卫十八和土卫十五

绝大多数卫星不是圆而光滑的大个子就是嶙峋的太空小怪石。而土星的卫星土卫十八和土卫十五则像出自外星人科幻电影。呈一个中央隆起的盘状使得它们和飞碟有着不可思议的相似之处。土卫十五两极之间的距离只有18千米,但它的腰部直径却达到了40千米。

它们奇怪的形状目前还是一个谜。虽然这两颗卫星的快速自转足以将其压扁,但并不能解释它们飞碟的形状。


[图片说明]:土卫十五(左)和土卫十八(右)。版权:NASA/JPL/SSI。

这两颗卫星的轨道也许提供了一条线索,它们都非常靠近土星环。也许来自光环的冰物质掉到了它们上面,在赤道上累积,形成了碟状。这和观测也相符,这些区域相对于极区而言非常平缓,意味它们是由来自土星光环的细小粒子构成的。

然而,这一理论还远没有到被证实的地步,新的观测可能最终能解释这两个土星的飞碟。但不管怎么样,外星人技术应该是可以被排除在外的。

回旋镖:海卫二

在绝大多数卫星缓缓地绕其行星公转时,海卫二却在飞奔。海王星这颗平凡的卫星呈团块状,大小也适中,但它却拥有着太阳系卫星中偏心率最大的轨道——它绕海王星一圈就犹如坐过山车,先是爬升到超过900万千米的最远距离,然后再俯冲到距离海王星不足140万千米的地方。


[图片说明]:海卫二(左上)和海王星。版权:Celestia(模拟)。

大部分具有不规则轨道的卫星通常都是被其宿主行星引力俘获的彗星或小行星,海卫二也许也不例外。但是它的组成并不像位于海王星外围的柯伊伯带天体那么松散。相反,它可能是在曾经围绕海王星的物质盘中形成的。这样形成的卫星一般都会在圆轨道上绕行星转动,因此海卫二的轨道着实是一个谜。

答案可能来自海卫二的异母兄弟海卫一。逆行的海卫一(见“活的雪球:木卫二,土卫二和海卫一”)可能已经清除了海王星系统中大多数的“原生”卫星,并且使得海卫二具有如此特异的轨道。

第二个地球:土卫六

它也许是所有卫星中最奇特的,因为它是如此的让人似曾相识。新的发现揭示出土卫六具有众多和地球相同的特征:湖泊、丘陵、洼地、河谷以及泥泞的平原。在它厚厚的氮大气中则还拥有雾、霾和雨云。正如2005年惠更斯探测器发回它的第一批图像时一位天文学家所说的,它看起来就像英格兰。

但外貌也可以是骗人的。土卫六绕着土星公转,到太阳距离是地球的10倍。在如此微弱的阳光照射下其表面温度仅有-180℃。任何水都会形成冰,并由此组成起伏的山脉。


[图片说明]:土卫六。版权:NASA/JPL/Univ. of Arizona。

“惠更斯”看到的雨、河流和湖泊实则是液态烃,它们在温暖的地球上会变成气体。最近的估计表明这些湖泊中80%是乙烷,此外还有丙烷、甲烷和乙炔。一些人认为这些物质可以为土卫六上的生命提供食物来源。

最佳原创:月亮

直到400年前伽利略发现了木星的四颗卫星,在此之前唯一已知的卫星就出现在地球的夜空之中——即使是生活在今天灯火通明的城市中的人对它也十分熟悉。此后,卫星发现的风潮席卷整个太阳系,但地球的这个同伴却依然鹤立鸡群。

原因之一就是它是一条小池塘里的大鱼。在内太阳系,卫星是罕见的。金星和水星没有卫星,而火星的两颗卫星和我们的月亮相比只能算是小石块。事实上,月亮在外太阳系似乎能找到家的感觉,那里气态巨行星的周围有不少大质量的卫星。

[图片说明]:伽利略木星探测器拍摄的月亮。不同的颜色代表不同的区域,蓝色:富钛区、橙色和紫色:贫钛和铁。版权:NASA/JPL/Galileo。

月球的体型可能反映出了它独特的起源。一般认为卫星形成有两种方式——要么形成于形成其宿主行星的同一片星云,要么就是被行星引力俘获的。月球的形成则可能更为血腥。45亿年前一颗较大的原行星与年轻的地球相撞,撞击抛射出的物质最终形成了月亮。这一发生在远古的大灾难对于我们来说兴许是一件好事,因为月球帮助稳定了地球自转轴的倾角,使得极端的气候变化不会出现在我们的星球上。

太阳系外的卫星

如果我们的太阳系拥有这么多奇特的卫星,那么在银河系中其他行星的周围又会有什么样的卫星呢?也许它们会是围绕太阳系外巨行星温暖而宜居的地方。或许它们不会像《星球大战》电影所描述的那样适合智慧生命居住,但这些卫星也许会位列宇宙中最有可能的生命栖息地之一。

在表面上看来,探测围绕遥远恒星周围行星的卫星是极其困难的,但以今天的技术再加上一点运气说不定可以做到。最好的办法寻找凌星,即某天体从恒星和观测者之间经过而造成的恒星变暗。这一方法已经发现了一些太阳系外行星,它也可以间接地发现系外卫星。当卫星绕行星转动的时候,它的引力会加速或者减慢行星的运动,从而改变凌星出现和持续的时间。

卫星越大,这一效应就越强。如果一颗海王星质量的太阳系外行星具有一颗地球大小的卫星,那么开普勒空间望远镜和地面望远镜足以能探测到由该卫星造成的凌星时刻和持续时间的变化。这么大的卫星同时也会拥有浓密的大气,是生命栖息的理想场所。

其余的…… 哪颗卫星最大?

木星的卫星木卫三有着5,270千米的直径,比水星还大。其体积则是月球的3倍。它是唯一一颗自身拥有强磁场的卫星,这表明它有一个由对流液态金属组成的核心。

太阳系中有多少颗卫星?

目前已经命名的卫星超过了170颗。但真正的总数还取决于你如何界定。目前还没有可用来定义卫星的最小尺寸,因此只要你乐意你可以把任何围绕一颗行星转动的物体称为“卫星”——包括土星光环中的每一块冰块,那么这个数字可能会彪升到上千万亿。

地球拥有多少颗卫星?

一颗。这没什么可奇怪的。但1986年发现的另一个天体有时也被称为“地球的第二颗卫星”。这颗直径5千米的小行星有着一条围绕太阳公转的椭圆轨道,同时它还和地球之间有着复杂的共振,这使得它会定期地接近地球。

哪颗卫星差点升级为行星?

冥王星的卫星冥卫一。根据一份2006年在布拉格召开的国际天文学联合会会议上被提交的行星定义草案,冥卫一满足行星资格标准。它足够大在引力的作用下呈球形,并且在某种意义上它直接围绕着太阳转动——冥卫一和冥王星的引力中心位于两者之间的宇宙空间。如果这一定义被通过,这将会是一个“双行星”系统。然而冥王星最终被降级,留下的也仅仅是一颗绕矮行星转动的卫星。

卫星有卫星吗?

在太阳系中还没有发现这样的例子。卫星有可能会拥有自己的卫星,但来自行星以及宿主卫星的引力作用会使得它的轨道变得不稳定。在足够大的尺度上卫星的卫星也许可以存在数十亿年,但在我们的太阳系里似乎不行。

一些小行星拥有卫星,例如艾达和它的卫星。在过去半个世纪里月亮也短暂拥有过一些卫星。它们的成分主要是金属。

(本文已刊载于《天文爱好者》2010年第6期)

[New Scientist 2010年3月27日]

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