拉扯出的引力之球——希爾球

有人提出一個很有意思的問題:衛星也可以有天然衛星嗎?

單純考慮引力,衛星當然可以讓足夠靠近自己的物體成為自己的衛星。然而奇怪的是,太陽系內竟然沒有一顆衛星擁有自己的衛星,這太不科學了!

劇透一下這個問題的正確答案:衛星的希爾球太小了。

太陽系內這麼多衛星,為什麼沒有「衛衛星」?

希爾球?這是個什麼東東?

這是19世紀中葉美國天文學家喬治

*希爾在洛希的基礎上提出的概念,「希爾球」故而得名。太陽系裡星球萬千,經過了早期的混亂狀態,倖存下來的都是英雄,它們劃分了自己的地盤,每塊地盤大致是一個球體,這就是每顆星球的「希爾球」。在某星體「希爾球」內的物體將主要受到該星體的引力作用。

美國天文學家希爾,「希爾球」以他的名字命名。

希爾球有多大呢?

考慮兩個天體的體系,每個天體 「希爾球」的半徑就是它們質心到L1點的距離。所以你懂得計算拉格朗日點,就自然會算出希爾球有多大。顯然,質量較大的天體希爾球更為「壯碩」,而質量較小天體只能受大天體引力的欺負,蝸居在狹小的空間里。

還是這張拉格朗日點圖,只考慮日地體系,太陽到L1的距離就是太陽的希爾球半徑,中央大的L3到L1之間的就是太陽的希爾球,右邊L1到L2之間的是地球的希爾球。

你可以這麼理解,如果宇宙中只有一個天體,那它的引力等勢面將形成一層又一層完美的球面,如同一層層的泡泡。但宇宙畢竟不孤獨,這裡只考慮兩個天體,雙方的引力場在相互較量一番之後,就將分出高下。如同雙方的層層泡泡相互碰撞,有些互相擠壓,有些合併,質量較大天體維持自己泡層的能力更強,完全屬於自己的泡泡當然就更大。

可以用泡泡來理解希爾球。

太陽系裡,太陽佔據了99.86%的質量,它的引力無孔不入,幾乎控盤整個太陽系。八大行星的引力泡泡都受到它的擠壓,越靠近太陽,希爾球就越小,比如水星、金星、地球、火星等類地行星;而遠離太陽,希爾球就越大,雖然木星的質量遠大于海王星,然而由於海王星距離太陽最遠,反而擁有最大的希爾球。

另一方面,希爾球還與天體的平均密度有關,你看雖然類地行星的質量遠小於木星、土星等龐然大物,但由於它們的密度是木星的4倍左右,因此希爾球也沒見的小太多。

八大行星和一些小行星、矮行星的希爾球半徑。從左到右:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、穀神星、冥王星、鬩神星。

有人開始開腦洞了:「我也有希爾球嗎?」

答案是:「有,但是太小了,沒有意義。」

那麼升級一下:「太空梭有希爾球嗎?這樣宇航員就可以繞著太空梭轉了。」

假設太空梭的重量是100噸,在距離地球表面300km的太空中飛行,那麼可以計算出它的希爾球半徑是1.2米,比它自身還小。

如果太空中只有一輛特斯拉,那麼讓高爾夫球繞著它旋轉是容易做到的事情。

根據前面所述,密度和引力場是決定希爾球大小的重要因素,因此也不是說絕對不可能,一方面離地球遠一點,另一方面提高物體的密度,就可以讓它一邊繞著地球轉,還能擁有較大的希爾球。經過計算,如果在地球同步軌道(36000km)上放一個物體,密度達到55g/cm3,那就有可能擁有自己的希爾球,讓別的物體繞自己旋轉。可是,到哪去找如此之重的普通物質?地球上常見的物質中,密度最大的鋨也只有22.59g/cm3。

別跟我提什麼白矮星超固態,中子星中子態什麼的,地球上沒有!

鋨金屬是常見物質中密度最大的。

回到之前的問題:衛星可以有天然衛星嗎?

理論上當然是可以有的,君不見,人類不是發射了很多人造衛星進入月球軌道嗎?事實上,太陽系裡,就有小行星擁有自己的天然衛星。

有一顆小行星1999 KW4,以一個橢圓軌道繞太陽運行,近日點比水星軌道還靠近太陽,僅有0.2個天文單位,而遠日點很接近地球,為1.1個天文單位,經過計算,它將在2036年5月25日掠過地球,與地球的距離僅有200萬公里,因此這是一顆危險的小行星,需要嚴密關注。

有意思的是這顆小行星雖然很小,直徑只有1.3-1.5km,卻有個伴——直徑僅為360m的小天體繞著這顆小行星,成為它的衛星。

擁有衛星的小行星小行星1999 KW4。

然而這畢竟只是個例,事實是冷酷的,現在已經發現太陽系裡的185顆衛星,無一擁有自己的「衛衛星」。(叫這個名字好嗎?)

宇宙是冷漠的,萬有引力定律無處不在,順之者昌逆之者亡。太陽系又是擁擠的,木星、土星這種巨無霸所到之處,就好像海峽里穿過了一艘巨型航母,海浪波及甚遠,一次又一次拷問著弱小天體的 「希爾球」。這些弱小的衛星自己尚且不保(沒看到木衛一經常被拉扯到「吐」嗎?),覆巢之下,安有完卵乎?

總之,經過了漫長的天文學時間,即使最初有一些「衛衛星」,也早被各大行星掃除乾淨了。

木衛一上拍攝到的火山爆發,源自木星的強大引力。

還可以解釋為何水星沒有衛星的問題。水星距離太陽太近,希爾球最小,就算曾經有衛星,也早被太陽的引力擊穿希爾球,衛星要麼撞擊水星或太陽,要麼浪跡天涯了。

從這張圖上來看,水星(Mercury)還沒有太陽黑子(Sunspot)大,就這樣還想當大哥?省省吧。

天文學家們還曾經為土衛八(伊阿珀托斯)的赤道脊而困擾,這條高達10-20km的赤道脊讓土衛八看起來非常像一顆核桃。有人提出,這是因為土衛八曾經擁有一顆「衛衛星」,而後被土星的引力撕裂,一部分殘骸落到了土星表面,形成了這一條聳立入雲(很好奇,土衛八上有雲嗎?)的山脈。

形似核桃的土衛八。看到那條赤道脊了嗎?

總之,如果有人問,天體們拉拉扯扯最後成什麼了?我們可以大致這樣回答一下:拉扯成球球了。

推薦閱讀:

TAG:天文學 | 科幻 | 太空 |