1. 首頁 > 生活百科 > >

太空之謎：為什么沒有氣體衛星？

太空


太空之謎：為什么沒有氣體衛星？


這位藝術家的印象描繪了系外衛星候選人開普勒-1625b-i，它正在繞軌道運行的行星和恒星系統中心的恒星 。(圖片來源:美國國家航空航天局、歐空局和l .胡斯塔克(STScI))
據美國太空網（基思·庫珀）：衛星有多種形式 。
在我們的太陽系中，我們有巖石衛星(如地球的月亮)，海洋衛星(如木衛二和土衛二)和冰凍衛星(如海衛一)，但沒有氣體衛星 。我們只是運氣不好沒有氣體衛星，還是有物理上的原因它們不能存在？
其實還有氣體衛星！雖然它們不在我們的太陽系里 。盡管迄今為止已經發現了5500多顆系外行星 ， 但只發現了兩顆可能的系外衛星，而且都沒有得到100%的確認 。這兩個“系外衛星”的怪異之處在于它們是氣態巨行星，圍繞著更大的氣態巨行星運行！然而，正如我們將要看到的，它們是證明這一規律的例外 。
為了理解為什么沒有氣體衛星 ， 至少在我們的太陽系中，最好首先理解氣體巨行星是如何形成的 。
氣態巨行星的形成有兩種情況 。一種被稱為“自下而上”的形成，另一種是“自上而下” 。
自下而上形成氣體世界
自下而上，或“核心吸積”，形成了我們太陽系的氣態巨行星 。如果我們能回到45億年前，我們將會看到年輕的太陽被一個由氣體和塵埃組成的圓盤所包圍 。這是所有行星形成的原行星盤 。首先，它們以巖石體的形式增生，隨著聚集灰塵、鵝卵石和小行星而增長 。一些只增長到火星或金星那么大 ， 但另一些繼續增長，形成質量高達木星10倍的巨大巖石體 。
一旦它們變得如此巨大 ， 它們就擁有足夠強大的引力，開始從原行星盤中清掃出大片氣體 。確切地說 ， 它們掠奪了多少天然氣，它們增長了多少，這取決于它們的重力和有多少天然氣可用 。
但最終，我們的太陽系只剩下四顆氣態巨行星——木星和土星 ， 以及更冷的“冰巨人”天王星和海王星 。美國國家航空航天局的朱諾木星任務通過檢測木星中心一個巨大、多巖石但分散的核心的重力，幫助找到了支持核心吸積模型的證據，該核心的質量大約是地球的十倍 。

太空之謎：為什么沒有氣體衛星？


太陽系的行星在自下而上的核心吸積過程中形成于原行星盤中 。(圖片鳴謝:美國國家航空航天局/福斯/勒奈特·庫克)
自上而下形成氣體世界
在自上而下的模型中，氣體世界直接由星云中的氣體團坍縮而成，就像恒星一樣 。然而，這個過程能產生的質量是最小的 。
當一大團氣體在自身重力的作用下收縮時，它會變熱，因為氣體被壓縮成越來越小、密度越來越大的體積 。但是當氣體變暖時 ， 它會膨脹，所以為了保持收縮，氣體團必須散發多余的熱量 。因此 ， 我們經常看到坍縮的氣體云在熱紅外能量的照射下發光 。
然而，有一個約束因素叫做“碎片的不透明度限制” 。
歐洲航天局(European Space Agency)的薩姆·皮爾森(Sam Pearson)在一次采訪中表示:“輻射出足夠的熱量，使氣體冷卻下來，并仍然坍縮，這取決于塵埃的不透明度、溫度和密度，對于較小的物體 ， 這一過程的效率會變得低得多，以至于在大約3個木星質量的情況下，它無法輻射出足夠的熱量來保持坍縮 ?！?br>體積越??，尘埃就睖Z迷郊瀉筒煌該鰨?輻射重力收縮多余熱量的過程變得越來越低效 。所以在自上而下的過程中不可能形成小于3個木星質量的東西 。
為什么太陽系沒有氣體衛星
像它們的母星一樣 ， 我們太陽系的大多數衛星都是通過環繞母星的剩余物質圓盤中自下而上的核心吸積過程形成的 。因為行星已經席卷了大部分可用的物質，只剩下不足以形成一個大到足以擁有足夠引力來容納大量氣體的衛星 。事實上，太陽系中只有一顆衛星有大氣層，那就是土星最大的衛星土衛六 。
同樣，自上而下的過程不可能發生，因為沒有足夠的剩余氣體，如果發生了，至少是木星質量的3倍，它將是太陽系中最大的世界 。

太空之謎：為什么沒有氣體衛星？


土星的衛星泰坦，太陽系中唯一有大氣層的衛星 。(圖片來源:美國國家航空航天局大學/JPL加州理工學院/亞利桑那大學)
奇怪的月亮
所以，我們不能通過兩種最傳統的產生氣體世界的過程來形成氣體衛星 。然而，太陽系中有幾個奇怪的東西是以不同的方式形成的 。
就地球而言，月球可能是由地球與一顆火星大小的原行星發生巨大碰撞后爆炸的物質形成的 。這些碎片形成了一個環，通過核心吸積形成了地球的月亮 。對一顆氣態巨行星的撞擊會噴射出足夠的氣體形成一顆氣態衛星嗎？
可惜沒有 。“巖石行星可能會有這樣的影響 ， 但還記得舒梅克-利維9號彗星(1994年)撞擊木星的時候嗎？加州理工學院的杰西·克里斯蒂安森在接受Space.com采訪時說 ?！皻鈶B巨行星什么都吃 ?！?br>任何與氣體巨星碰撞的東西都只是被氣體巨星包容，成為它的一部分，而不是向太空噴射碎片 。
另一個奇怪的現象是捕獲的衛星 。例如，火星的兩個衛星火衛一和戴莫斯是被捕獲的小行星 。土星最外層的衛星菲比是捕獲的彗星物體，海王星的衛星海衛一是捕獲的柯伊伯帶物體 。它們不是圍繞一顆行星形成的，而是在太空中自行形成的，后來游蕩得太近，被一顆行星的引力抓住了 。
這就引出了一個問題，一顆較小的氣態行星會被一顆較大的氣態行星捕獲嗎？畢竟，氣體世界的質量可以達到木星的十幾倍，所以原則上它們可以很容易地捕獲一個氣體世界，比如說海王星的質量 。
氣體系外衛星
看來他們的確可以！“可能在巨大的系外行星周圍有海王星大小的衛星，”克里斯蒂安森說 。
本文開頭提到的兩個候選系外衛星——開普勒1625b-i和開普勒1708 b-I——本身都是氣態巨行星，但它們似乎是更大氣態巨行星的衛星 。
克里斯蒂安森說:“我要強調的是 ， 這兩個人都是候選人 ?！拔覀冊跀祿锌吹搅艘恍┡c月球相符的東西，但也有其他東西可以解釋它 ?！?br>假設它是一顆真實的月球，那么開普勒1625b-i的質量是地球的19倍(約為木星質量的6%)，與海王星質量相近，并且伴隨著一顆質量是地球30倍、直徑是木星一半的氣態行星 。
開普勒1708b-i甚至更重，重量約為地球的37倍，圍繞一顆比木星大4.6倍的巨行星運行 。

太空之謎：為什么沒有氣體衛星？


藝術家描繪了一顆圍繞系外行星開普勒1708 b運行的系外衛星
“他們挑戰了很多理論，”克里斯蒂安森說 。“很難想出它們形成那樣的方式，所以它們一定是被俘虜了 ?！?br>原則上，被捕獲的物體會使它們與我們太陽系中被捕獲的衛星相似 。它們會像行星一樣從圓盤的核心吸積中形成，然后因為向它們的恒星遷移而被捕獲 。
在年輕的行星系統中 ， 遷移似乎是一個常見的過程 。這就是天文學家解釋“熱木星”的方式，熱木星是距離恒星非常近的氣態巨行星，但不可能形成得那么近 。在系外衛星開普勒1625b-i和1708b-i的例子中，當它們遷移進來時，被位于它們前面的更大的行星捕獲 。
然而，盡管如此，它們很可能不是真正的衛星！相反 ， 它們可能都是雙行星而不是系外衛星的例子 。雙行星是指兩個世界都圍繞它們之間的一個共同質量中心運行，而不是一個圍繞另一個運行 。在我們的太陽系中有一顆雙行星，偽裝成冥王星和它最大的同伴卡戎 。
所以，在某種程度上，有氣體衛星——但是要制造它們，自然必須作弊！