“后宮佳麗”近百 木星的吸引力從何而來(lái)

2016年進(jìn)入木星軌道的“朱諾”號(hào)一直更新著人們對(duì)太陽(yáng)系“巨無(wú)霸”行星的認(rèn)知。近日，科學(xué)家在分析“朱諾”號(hào)第17次飛掠木星發(fā)回的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)一表面火山噴發(fā)的圖像。

自航天時(shí)代以來(lái)，人類已成功發(fā)射與木星有關(guān)的探測(cè)器共9次。盡管獲得了這顆巨行星及圍繞它的衛(wèi)星和環(huán)系的部分?jǐn)?shù)據(jù)，木星依然存在諸多未解之謎。比如， 2018年美國(guó)科學(xué)家宣稱發(fā)現(xiàn)了12顆木星衛(wèi)星，使得木星的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到79顆，令太陽(yáng)系其他行星黯然失色。木星對(duì)衛(wèi)星的巨大吸引力到底從何而來(lái)?

個(gè)頭大：太陽(yáng)系行星中的老大哥

回答這個(gè)問(wèn)題前，得先搞清楚木星從何而來(lái)。

行星發(fā)源于物質(zhì)盤(pán)。“物質(zhì)盤(pán)中的小塵埃顆粒聚集在一起形成大大小小的團(tuán)塊，被稱為‘星子’，星子互相碰撞構(gòu)成更大的團(tuán)塊。”中科院上海天文臺(tái)研究員孔大力告訴科技日?qǐng)?bào)記者，團(tuán)塊越大引力越強(qiáng)，加上周圍有充足氣體，就能更快地“長(zhǎng)大”。此時(shí)，其他小星子即便再想變大，也只能“干瞪眼”，因?yàn)橹車呀?jīng)沒(méi)有多余的氣體可以吸附過(guò)來(lái)了。

若以“個(gè)頭兒”論英雄，木星無(wú)疑擁有睥睨群雄的高貴“出身”。作為太陽(yáng)系中的最大行星，它的體積約為地球體積的1321倍，其質(zhì)量1.898×1027公斤，約為地球質(zhì)量的318倍，是整個(gè)太陽(yáng)系其他行星質(zhì)量總和的2.5倍。它的核心部分可能是地球的10倍重，是太陽(yáng)系行星中當(dāng)之無(wú)愧的“老大哥”。

木星的體積和質(zhì)量為何能“獨(dú)占鰲頭”呢?

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)前天體物理學(xué)家珍妮·卡維諾斯在《<星球大戰(zhàn)>里的科學(xué)》中寫(xiě)道，由于離恒星越近的軌道圓周長(zhǎng)越短，制造行星的材料也越少，因而，從理論上講，離恒星越近的行星體積越小，離恒星越遠(yuǎn)的行星體積越大。

離太陽(yáng)遠(yuǎn)的地方，氣溫也更低，更多的物質(zhì)凝結(jié)起來(lái)，比如水、甲烷、氨氣，它們構(gòu)成了地外行星的核心部分。行星越大，引力就越強(qiáng)。這就意味著它可以吸引更多輕氣體，聚集在行星周圍成為龐大的大氣層。這個(gè)過(guò)程催生了遙遠(yuǎn)的氣態(tài)巨行星，木星正是其中的優(yōu)秀代表。

孔大力則認(rèn)為，木星質(zhì)量大符合宇宙中的混沌現(xiàn)象，并無(wú)確定的理論可以解釋。“這好比把面粉撒進(jìn)水中，面粉不會(huì)馬上融化，它會(huì)形成大大小小的顆粒。而我們沒(méi)有辦法決定哪一顆變大，哪一顆變小。木星質(zhì)量比太陽(yáng)系中其他行星質(zhì)量大，同樣具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。”

魅力足：俘獲衛(wèi)星的高手

在質(zhì)量上拔得頭籌，是木星為后宮79位“佳麗”打江山的基礎(chǔ)。

行星的衛(wèi)星有可能是行星受撞擊后飛離自身的碎片，也可能是來(lái)自外太空的星體在運(yùn)行到行星附近時(shí)被行星的引力俘獲后變成衛(wèi)星。木星的衛(wèi)星也不例外。

根據(jù)軌道特征和物質(zhì)形態(tài)，行星的衛(wèi)星分成兩類：規(guī)則衛(wèi)星和不規(guī)則衛(wèi)星。南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“規(guī)則衛(wèi)星在圍繞著行星周圍物質(zhì)盤(pán)中形成，它由微小塵埃顆粒逐漸長(zhǎng)大成型，過(guò)程類似于行星在恒星周圍形成的過(guò)程。”他表示，行星質(zhì)量越大，其形成時(shí)環(huán)繞于其周圍的行星周盤(pán)質(zhì)量也越大、面密度越高，自然有機(jī)會(huì)形成較大的衛(wèi)星。

“相比規(guī)則衛(wèi)星，不規(guī)則衛(wèi)星往往具有奇怪的軌道特征，以及不同的物質(zhì)組成、破碎的形態(tài)。”周禮勇稱，不規(guī)則衛(wèi)星一般是由其他類型的天體偶然進(jìn)入行星附近之后經(jīng)歷一些減速過(guò)程而留在環(huán)繞行星的軌道上，屬于被行星俘獲的衛(wèi)星。

那么，如何能更有效俘獲衛(wèi)星的芳心并讓它繞著你轉(zhuǎn)呢?質(zhì)量大的優(yōu)勢(shì)亦功不可沒(méi)。

“質(zhì)量較大的行星具有更大吸引力，越容易將其他天體吸引至附近，同時(shí)大質(zhì)量行星周圍的碎片或氣體盤(pán)密度也較高，可以提供更有效的‘減速剎車’作用，因而更容易俘獲衛(wèi)星。”周禮勇說(shuō)。

對(duì)此，他解釋道，行星軌道外圍的一顆衛(wèi)星從遠(yuǎn)處過(guò)來(lái)，如果想把它束縛在行星周圍的話，要消耗掉一些角動(dòng)量或是軌道能量，這個(gè)過(guò)程需要一定的摩擦作用。“通過(guò)這種動(dòng)力學(xué)摩擦，衛(wèi)星與行星周盤(pán)的質(zhì)量發(fā)生相互作用，這個(gè)就是我們說(shuō)的減速機(jī)制。質(zhì)量越大的行星周盤(pán)，減速作用越強(qiáng)。”

孔大力表示，靠近木星的物質(zhì)不是直接被吸過(guò)來(lái)，而是受到潮汐作用后，物質(zhì)飛行的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，速度就會(huì)慢下來(lái)。這時(shí)候物質(zhì)就容易被捕獲了。1994年，蘇梅克-列維九號(hào)彗星就是因?yàn)檫@個(gè)原因撞擊木星。

綜合來(lái)看，由于木星質(zhì)量大，它的行星周盤(pán)密度大、質(zhì)量高，有利于規(guī)則衛(wèi)星的形成;同樣因?yàn)橘|(zhì)量大，木星更易通過(guò)減速機(jī)制俘獲不規(guī)則衛(wèi)星。

運(yùn)氣好：遠(yuǎn)離太陽(yáng)的“采食區(qū)”

雖然木星龐大的身軀注定了它有較強(qiáng)的吸引力，但木星俘獲能力再?gòu)?qiáng)，也敵不過(guò)太陽(yáng)。

木星的衛(wèi)星為何沒(méi)有被太陽(yáng)吸走呢?

地球與太陽(yáng)相距1.5億公里，木星距離太陽(yáng)7.78億公里，是日地距離的5倍。

由于木星和太陽(yáng)較遠(yuǎn)，所以周圍的物質(zhì)沒(méi)有輕易被太陽(yáng)“拐”走。周禮勇解釋道，這類似于動(dòng)物之間的采食區(qū)。“動(dòng)物有一個(gè)勢(shì)力范圍。采食區(qū)以內(nèi)都是它的獵物，采食區(qū)以外就不那么容易捕食。一顆質(zhì)量較大的行星若在離太陽(yáng)較遠(yuǎn)的地方形成，這顆行星的采食區(qū)就比其他行星大。就像現(xiàn)在的木星，能夠影響非常廣大的范圍。采食區(qū)越大，當(dāng)然有利于其形成更多衛(wèi)星，因?yàn)閺V大采食區(qū)內(nèi)的物質(zhì)質(zhì)量都受它控制。”

值得一提的是，如果沒(méi)有木星，被稱為“奇跡之星”的地球不可能存續(xù)至今，因?yàn)殡E石撞向地球的可能性將增加1000倍以上。

與木星相對(duì)應(yīng)的，是離太陽(yáng)很近的水星和金星。金星、水星以及地球和火星都屬于類地行星。“類地行星形成的最后一個(gè)階段是由若干個(gè)‘行星胚胎’在內(nèi)太陽(yáng)系相互碰撞并合而形成的。這是一個(gè)相對(duì)‘暴虐’的過(guò)程，在此過(guò)程中行星處于非常不穩(wěn)定的環(huán)境，難以保全其衛(wèi)星。所以類地行星很少有衛(wèi)星。”周禮勇說(shuō)。

但孔大力有不同看法。“太陽(yáng)系形成后，太陽(yáng)系內(nèi)的物質(zhì)基本不會(huì)再被太陽(yáng)吸走。哪怕是引力很強(qiáng)的黑洞，周圍一堆繞著它轉(zhuǎn)的物質(zhì)，也不會(huì)掉進(jìn)黑洞里面去。除非這些旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)被某種機(jī)制減速，才有可能掉下去。而且，有些行星系統(tǒng)中，像木星這樣的行星距離恒星也很近。所以，木星的衛(wèi)星多，與它跟太陽(yáng)的距離沒(méi)有很大的關(guān)系。”

“宇宙中很多現(xiàn)象沒(méi)有為什么，自然界的發(fā)展離不開(kāi)運(yùn)氣。木星天生質(zhì)量大，決定了它的衛(wèi)星多，不足為奇。”孔大力表示，天文學(xué)家之所以關(guān)注在木星周圍發(fā)現(xiàn)了新衛(wèi)星，是因?yàn)樵谠瓉?lái)的觀測(cè)條件下，很小很暗的衛(wèi)星非常難被發(fā)現(xiàn)。“如果發(fā)現(xiàn)新的小衛(wèi)星，說(shuō)明觀測(cè)水平有所提升。”

在孔大力看來(lái)，木星的衛(wèi)星多一顆或少一顆都沒(méi)有違背常理。質(zhì)量大，引力大，身邊的物質(zhì)自然就多。“如果水星這樣小的行星周圍有幾十顆衛(wèi)星，那才奇怪呢。”(代小佩)

關(guān)鍵詞：