为什么土星有环,火星没有?火星曾经有以后也有

2017-05-18 10:53:00 赛先生公众号 分享
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  来源:赛先生公众号

题图:火星环的艺术想象图(来源:Tushar Mittal)

  小黑板

  行星环: 一些行星周围存在有大量细碎的物质块与颗粒汇集成环的形状,环绕着行星,这就是行星环,它们像无数卫星的天然卫星一样,集体绕着行星运转,并保持环的形状。

  洛希极限: 当一个天体围绕另一个天体运动时,与后者中心的距离小到足以被后者撕碎时,这个距离就被称为“洛希极限”。18世纪中叶,法国天文学家洛希首先研究了这个问题,因此以洛希来命名这个极限。有些理论认为,当一个卫星进入行星的洛希极限后,就会被撕碎为行星环。

  太阳系中以环而驰名的星球是土星,木星、天王星与海王星也有环,这四个行星都是太阳系中的气态巨行星。太阳系中另外四个大行星(水星、金星、地球、火星)都是固态行星,它们都没有环。

  不过,如果有人告诉你火星以前也有环,你可能会大吃一惊;如果有人告诉你火星的环在过去几十亿年多次变为卫星又变为环,现在的卫星——火卫一(Phobos)与火卫二(Deimos)——在将来还会变为环,你会更加惊奇。

  那么,凭什么说火星以前也有环呢?这个环怎么来的?它是如何与卫星实现互相转变的?故事要先从火星现在的两颗卫星说起。

  火星的两个卫星

  火星的两个卫星都很小,且形状不规则。火卫一的平均半径只有11.3千米,质量是月球的1000万分之一。火卫一的轨道半径(精确说,是半长轴)为9376千米,是火星半径的2.76倍。

  火卫二更小,其与三环内的北京城差不多大。平均半径只有6.2千米,质量仅为火卫一的七分之一。火卫二的轨道半径为23463千米,是火星半径的6.92倍。

图1。 火卫一(左)与火卫二(右)的近距离图像(来源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)。

图2。 火卫一、火卫二与火星距离的示意图(图片来源:Magenta Green/CC BY-SA 3.0)

  尽管火卫一离火星很近,它的轨道半径只有火星半径的大约3倍(相比之下,月球的轨道半径大约是地球半径的60倍),但因为它实在太小,使得火星上因为火卫一遮挡而导致的日食不可能为全食,而只能是偏食和环食,如图3。由于火卫二更小更远,因此它遮挡太阳导致的日食,其阴影比火卫一遮挡时更是小得多。所以我们要感谢月球的大小如此恰当、与地球的距离又如此恰当,使得我们有机会看到日全食。

责编:陶文冬