“后宮佳麗”近百 木星的吸引力從何而來

2016年進(jìn)入木星軌道的“朱諾”號一直更新著人們對太陽系“巨無霸”行星的認(rèn)知。近日，科學(xué)家在分析“朱諾”號第17次飛掠木星發(fā)回的數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了木衛(wèi)一表面火山噴發(fā)的圖像。

自航天時代以來，人類已成功發(fā)射與木星有關(guān)的探測器共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，令太陽系其他行星黯然失色。木星對衛(wèi)星的巨大吸引力到底從何而來?

個頭大：太陽系行星中的老大哥

回答這個問題前，得先搞清楚木星從何而來。

行星發(fā)源于物質(zhì)盤。“物質(zhì)盤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。”中科院上海天文臺研究員孔大力告訴科技日報記者，團(tuán)塊越大引力越強(qiáng)，加上周圍有充足氣體，就能更快地“長大”。此時，其他小星子即便再想變大，也只能“干瞪眼”，因為周圍已經(jīng)沒有多余的氣體可以吸附過來了。

若以“個頭兒”論英雄，木星無疑擁有睥睨群雄的高貴“出身”。作為太陽系中的最大行星，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，是整個太陽系其他行星質(zhì)量總和的2.5倍。它的核心部分可能是地球的10倍重，是太陽系行星中當(dāng)之無愧的“老大哥”。

木星的體積和質(zhì)量為何能“獨占鰲頭”呢?

美國國家航空航天局(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)》中寫道，由于離恒星越近的軌道圓周長越短，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。

離太陽遠(yuǎn)的地方，氣溫也更低，更多的物質(zhì)凝結(jié)起來，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。這個過程催生了遙遠(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，并無確定的理論可以解釋。“這好比把面粉撒進(jìn)水中，面粉不會馬上融化，它會形成大大小小的顆粒。而我們沒有辦法決定哪一顆變大，哪一顆變小。木星質(zhì)量比太陽系中其他行星質(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，也可能是來自外太空的星體在運行到行星附近時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報記者：“規(guī)則衛(wèi)星在圍繞著行星周圍物質(zhì)盤中形成，它由微小塵埃顆粒逐漸長大成型，過程類似于行星在恒星周圍形成的過程。”他表示，行星質(zhì)量越大，其形成時環(huán)繞于其周圍的行星周盤質(zhì)量也越大、面密度越高，自然有機(jī)會形成較大的衛(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)勢亦功不可沒。

“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，同時大質(zhì)量行星周圍的碎片或氣體盤密度也較高，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。

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

孔大力表示，靠近木星的物質(zhì)不是直接被吸過來，而是受到潮汐作用后，物質(zhì)飛行的動能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，速度就會慢下來。這時候物質(zhì)就容易被捕獲了。1994年，蘇梅克-列維九號彗星就是因為這個原因撞擊木星。

綜合來看，由于木星質(zhì)量大，它的行星周盤密度大、質(zhì)量高，有利于規(guī)則衛(wèi)星的形成;同樣因為質(zhì)量大，木星更易通過減速機(jī)制俘獲不規(guī)則衛(wèi)星。

運氣好：遠(yuǎn)離太陽的“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，但木星俘獲能力再強(qiáng)，也敵不過太陽。

木星的衛(wèi)星為何沒有被太陽吸走呢?

地球與太陽相距1.5億公里，木星距離太陽7.78億公里，是日地距離的5倍。

由于木星和太陽較遠(yuǎn)，所以周圍的物質(zhì)沒有輕易被太陽“拐”走。周禮勇解釋道，這類似于動物之間的采食區(qū)。“動物有一個勢力范圍。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，因為廣大采食區(qū)內(nèi)的物質(zhì)質(zhì)量都受它控制。”

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

與木星相對應(yīng)的，是離太陽很近的水星和金星。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階段是由若干個‘行星胚胎’在內(nèi)太陽系相互碰撞并合而形成的。這是一個相對‘暴虐’的過程，在此過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。

但孔大力有不同看法。“太陽系形成后，太陽系內(nèi)的物質(zhì)基本不會再被太陽吸走。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，與它跟太陽的距離沒有很大的關(guān)系。”

“宇宙中很多現(xiàn)象沒有為什么，自然界的發(fā)展離不開運氣。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，是因為在原來的觀測條件下，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，說明觀測水平有所提升。”

在孔大力看來，木星的衛(wèi)星多一顆或少一顆都沒有違背常理。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)

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