火星將要失去它最大的衛星,並換來行星環

作者 | 發布日期 2015 年 12 月 06 日 0:00 | 分類 天文 , 手機 , 自然科學 follow us in feedly
天文館配圖

火星擁有兩顆衛星,比較大的火衛一(佛伯斯,Phobos)和較小的火衛二(戴摩斯,Deimos)。根據加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)天文學家 Benjamin Black 和 Tushar Mittal 等人最近研究顯示,火衛一正逐漸落往行星表面,但它最後並不會撞擊火星表面,而是受到火星潮汐力影響而逐漸破碎,約在 2,000-4,000 萬年內,碎片繞行火星而形成行星環,讓火星加入木星、土星、天王星與海王星的有環行星俱樂部。而這個火星環約可存在 100 萬至 1 億年左右。火星最後只會僅存一顆衛星,火衛二。



因為火衛一是顆形狀不規則、像顆馬鈴薯一樣的衛星,因此火星重力作用在火衛一上各部位的拖曳力道略有差異。而火星一是顆結構鬆散不結實的天體,內部充滿了孔隙和碎石。根據 Black 等人的演算,當火衛一愈來愈靠近火星時,這樣的拖曳力道差異足以將火衛一扯碎,讓小至細塵、大至不同尺寸岩石的碎片四散,慢慢環繞火星而形成行星環。之後最大的那些碎片會繼續旋繞,直到以一個很低的掠射角(grazing angle)擦撞火星表面,在火星表面留下一個個蛋形的隕石坑;而其他絕大部份的碎片則持續繞著火星公轉數百萬年,最後紛紛落入火星地表形成「火衛雨」,就像流星雨一樣。

 

不同的月亮,不同的命運

當月球以每年幾公分的距離遠離地球,火衛一卻以每年幾公分的距離向火星靠近。而太陽系中百來顆已知衛星中,只有火衛一和海王星最大的衛星──海衛一(崔頓,Triton)是逐步靠近它們的行星。為什麼火衛一的命運,和太陽系絕大多數衛星相較之下是如此不同?

Mittal 表示,研究這樣與眾不同的衛星,或許可取得關於太陽系早期狀況的訊息,因為當時應該有許多行星周圍的衛星瓦解而成為行星環的一部份,例如類木行星們的光環很可能就是這樣來的。有些研究估計在行星形成階段,約有 20~30% 的衛星,其公轉軌跡如同火衛一般愈繞愈靠近行星表面,最終在行星重力場下瓦解消滅,只不過這些事情都發生在距今久遠以前。火星表面數千個橢圓形又隕石坑中,有些可能就是這類小月亮(moonlet)的殘渣以很低、幾近水平的掠射角墜毀於火星表面形成的。

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▲ 火衛一佛伯斯

當潮汐應力大於岩石本身強度時

為了估算火衛一的結構強度,Black 等人從地球岩石和隕石資料庫中尋找密度和組成成分與火衛一類似的破裂岩石。他們也從火衛一上直徑約 10 公里的斯蒂克尼隕石坑(Stickney impact crater)的電腦模擬結果,設定火衛一強度的限制條件。斯蒂克尼隕石坑是火衛一上最大的隕石坑,佔了火衛一周長的六分之一左右,外型像是被鏟子挖走一角的模樣,乃過去曾受到一顆岩石側向衝撞而形成,幸好沒有把火衛一撞碎。

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一旦 Black 等人確認了火衛一是何時、以何種方式被潮汐力扯碎的,他們便能利用電腦模擬火星環的演化狀況;這原是取用自為了了解土星環歷史而發展出的技術。

如果火衛一是在距離火星中心 1.2 倍火星半徑,或說相當於距離火星地表約 680 公里高之處碎裂的話,那麼將會形成一道非常窄的火星環,而其密度可與土星環中質量最大的那些光環相比。之後這道環逐漸擴散而變寬,在幾百萬年間會抵達火星大氣的頂曾,屆時將成為一道道流星劃過火星天際,火星環因而開始流失物質。

如果火衛一在離火星比較遠的地方就分裂,則火星環將可持續 1 億年左右,才化做流星而消散。

這兩位天文學家目前並不確定是否跟土星環一樣,在地球表面就可觀察到這個由塵埃和碎屑組成的火星環,畢竟塵埃不太會反射陽光,土星環則是因為其中含有反光能力較佳的冰比較多,所以才能看到它。但是火星環或許能反射足夠多的陽光,使得在地球上看到的火星環稍亮一些,透過望遠鏡或許還可觀察火星環投影在火星表面陰影。

若數千萬年之後能站在火星表面欣賞星空,那必定是個非常特別的景致。

(本文由 台北天文館 授權轉載) 

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