木星如何創造出太陽系最大衛星群?研究:土星插一腳幫忙

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 23 日 17:52 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly

我們知道木星攜帶了數顆超巨大衛星,其中太陽系最大衛星木衛三蓋尼米德(Ganymede)直徑甚至比水星還大。一般認為這些超巨大衛星形成於木星附近,但該理論尚有不足之地,而一項最新研究以電腦模擬表明,土星可能在衛星形成過程發揮關鍵作用。



木星已知擁有 67 顆衛星(很有可能持續增加),是太陽系中攜帶最多天然衛星的行星,儼然自成一個木星系。1610 年 1 月,義大利天文學家伽利略最早以望遠鏡發現木星最亮的 4 顆衛星,被後人稱為伽利略衛星,它們環繞在距離木星 40 萬至 190 萬公里的軌道帶,由內而外依次為木衛一埃歐、木衛二歐羅巴、木衛三蓋尼米德、木衛四卡利斯多。

這 4 顆衛星都比冥王星還要大,而蓋尼米德還是太陽系最大衛星,直徑大於水星,質量約水星一半。伽利略之後幾個世紀(至 1950 年代),人們又接連發現 12 顆較大的衛星,使木星衛星總數達 16 顆;1979 年 NASA 航海家一號(Voyager 1)及 1995 年伽利略號飛臨木星的時候,又發現了更多更小的、離木星更遠的天然衛星,使人類所知木星系衛星總數達 67 個。

其中,埃歐、歐羅巴和蓋尼米德的軌道形成精準「拉普拉斯共振」:當埃歐每繞行木星運轉 4 圈,歐羅巴會精準繞木星 2 圈、蓋尼米德則精準繞木星 1 圈。當木星引力拉扯它們接近時,這 3 顆衛星形狀規律地扭曲;而當它們遠離時,又會回復到接近球形,這種潮汐扭曲作用促使衛星內部摩擦生熱,最顯而易見的是最接近木星的埃歐(受到最強潮汐力)異於平常的火山活動(有 400 座活火山),程度較輕的歐羅巴表面則有較年輕的地質樣貌。

▲ 伽利略衛星家族,從上至下依序為:埃歐、歐羅巴、蓋尼米德、卡利斯多。(Source:NASA

而先前研究表明,這幾顆伽利略衛星應是從木星形成最後階段的行星盤匯集而成,但理論帶來的一個新問題是,科學家不知道這個物質盤從何而來,照理木星形成時會吸走大部分物質,哪裡有額外形成超巨大衛星的份?

現在,由法國艾克斯─馬賽大學天體物理學家 Thomas Ronnet 領導的研究提出,伽利略衛星很可能是在土星的幫助下形成。當土星靠近木星時,其引力打破了木星吸收物質的平衡性,那些「漏網之魚」物質便成為今天 4 大伽利略衛星的材料。

不過這次模擬雖然合理表明了大衛星圍繞木星的發展情景,但依然不能解釋為何這 4 顆衛星是由不同種類的材料製成。但進一步模擬會發現土星對太陽系其他現象的影響,比如土星也可能幫忙將冰物質分散至內太陽系以使其充滿水;在太陽系外,那些擁有多行星系統的恆星也可能經歷類似過程,如此科學家可將目光瞄準觀察更大行星,看看它們是否有可能帶有隱藏生命的巨大衛星。

(首圖為木衛二歐羅巴想像圖,來源:NASA