不得了，天文知識增加了！｜第25期

由人民資訊發表于網路遊戲
2022-07-19

行星土星地球月球 SpaceEngine

簡介但這種方式形成的行星環不夠穩定，這些在月球軌道上的碎片還是有機會在撞擊發生後的一段時間裡重新聚集起來形成一顆新的衛星，因為月球最初可能就是從環繞地球的一圈物質環中形成的

想看看星星粉碎的樣子嗎?

「本文來源：科普中國」

面對未知的宇宙，

人類永遠是個好奇的孩子。

“不得了，天文知識增加了！”【第25期】

Q1：

宛陵Louise【提問】為什麼有的星星有環，有的沒有呢……

A：

說起行星環，人們第一個想到的大概就是自帶光環的土星了，畢竟這個形象過於經典以至於深入人心。

帶著光環的土星，這是筆者自己用的桌面屏保，由SpaceEngine生成 / 徐鵬暉

可以肯定的是，在太陽系八大行星中，擁有行星環的不止土星一個。除土星外，木星、天王星、海王星也擁有各自的行星環，只不過它們的行星環相對闇弱，難以發現。與之相對的是，四顆巖質行星（水星、金星、地球、火星）目前均未發現有行星環存在。

海王星環的逆光拍攝照片，這張照片是從旅行者2號於1989年拍攝的兩張照片拼接而來的，由於海王星環實在太暗，拍攝時只能把過亮的海王星本體移出視野外，分別對兩側的環面單獨拍照 / 網路

造成這種差異的原因是什麼呢？科學家們猜測行星環的形成和行星本身的質量及引力作用有關。像木、土、天、海這樣質量較大的行星，引力作用也更為強大。一方面這會幫助它們吸引到更多的行星際物質作為行星環形成的物質基礎；另一方面，更大的質量和引力使得它們具有了更大的洛希極限半徑。在洛希極限半徑內，類似衛星的完整星體物質在行星的潮汐作用下將無法維持自身形狀而被扯碎，形成環繞行星的碎片物質帶。以土星環為例，一類猜測因此認為土星環是土星利用自身的龐大質量吸積了行星際空間中的物質而成的。

另一個大類的猜測是土星環源於一顆破碎的土星衛星。這類猜測的一個較早版本認為土星環可能由一顆類似土衛一大小的衛星經歷了多次碰撞後完全破碎形成。而另一個較新的版本則認為這顆可能存在過的衛星在土星形成的時期就已經被土星吞噬，但在吞噬過程中這顆衛星的冰質星幔被逐漸扯出衛星主體，形成了一個環狀物質帶，後經過長時間的演化，形成了今天這個主要由水冰構成的土星環。

J1407b巨大的行星環，由SpaceEngine生成 / 網路

但新發現暗示著行星環可能存在不同的形成機理。2007年科學家發現恆星J1407存在不尋常的凌星現象，而後在2012年，科學家們透過對相關觀測資料的詳細解讀確認了系外行星J1407b及其行星環的存在。令人驚奇的是這顆行星居然擁有一個半徑達0。6 AU的行星環。如此巨大的環半徑顯然已經超出了該行星的洛希極限半徑，且根據科學家對觀測資料的解讀，該行星環內似乎已有衛星正在生成。這提示我們行星環相對於行星的整個生命週期（數十億年的時間尺度）來說可能不算是穩定的，它的生成和消失是一個動態過程。

帶著星環的妊神星，圖片長寬比沒有壓縮，妊神星確實是個蛋形的，圖片由SpaceEngine生成 / 網路

此外，除了行星以外，科學家還發現一些小行星也擁有自己的星環。妊神星（Haumea）、小行星10199、小行星2060等星體也被發現存在星環結構，但是這些小天體的引力明顯不足以將它們附近的其他天體扯碎。這些發現給星環又蒙上了一層新的面紗，提示我們可能還有未知的星環形成機理存在。

【智慧（zhàng）機器人：你問我為什麼我也……（嘆氣）】

Q2：

林冰果【提問】土星的光環是怎麼形成的？如果是因為是引力的話那麼為什麼還會有空隙存在？

A：

行星環的形成機理我們剛才說過了，這裡主要解釋一下土星環空隙的成因叭。

一種成因是衛星軌道共振。關於軌道共振，最典型的例子就是木星對於小行星帶小行星的半長軸分佈影響：軌道週期與木星軌道週期成整數比的小行星由於會週期性地受到木星的引力影響，會被拉扯出原有軌道從而無法穩定執行。這個效果放到土星環中同樣存在，著名的卡西尼環縫就是土衛一的“傑作”。這個環縫存在的位置，其軌道週期剛好是土衛一的一半。

卡西尼環縫、恩克環縫和土衛十八，由SpaceEngine生成 / G。 Cataldo， 2015

還有一種成因是衛星的直接清理。土星環當中也存在土星的衛星，有些衛星會利用其自身引力將其軌道上的土星環物質清理掉，從而留下一個環縫。恩克環縫就是土衛十八清理出來的。

【智慧（zhàng）機器人：小衛星胃口不錯啊~】

Q3：

外來的陽茗【提問】土星的環為什麼寬度與厚度比例差距巨大？

A：

土星環的寬度在10萬千米級別（有研究顯示可能更大），而其厚度卻只有10 米，二者相差近千萬倍。對於如此懸殊的寬厚比形成的原因，我們也許可以看看如果土星環比現在要厚得多，會發生什麼。

如果將現在的土星環增厚——比如100-1000 千米——並假設它不會因此聚整合衛星，土星環將變成一個“甜甜圈”的形狀。由於這一圈東西是以土星中心為圓心旋轉的，在“甜甜圈”中心面以外的碎塊必然會週期性地穿行於中心面。另外因為“甜甜圈”裡的物質是近似均勻分佈的，這些碎塊在不停上下穿行於中心面的同時又會發生碰撞，久而久之中心面上下兩側的碎塊都會因為碰撞相互抵消縱向方向上的速度分量。最後，絕大多數的碎塊都會將自己的軌道集中在中心面，形成一個極其扁平的行星環。（這個過程本來應該配張圖的，但是SpaceEngine沒有天物過程生成功能我畫不出來，所以還得麻煩編輯配張圖，後期記得把這個括號裡的內容刪去）

（（д；）我也畫不粗，放幾個甜甜圈行嗎？）

當然除了行星環自身的特性決定了它不會很厚以外，前面提到的部分土星衛星在一定程度上也發揮著“牧羊人”的作用，維持著土星環的基本形狀，使之不會向內外擴散。由於環內粒子的碰撞作用，行星環自身天然有向內外擴散的傾向，而位於環內側或外側的衛星可以利用自身的引力，將環內側的粒子往外推或將環外側的粒子往內推，從而幫助維持形狀。比如土衛十六和土衛十七就是F環的“牧羊衛星”。

土衛十六、土衛十七和F環（兩顆衛星中間夾著的那根細線），由SpaceEngine生成 / SpaceEngine

【智慧（zhàng）機器人：咩~】

Q4：

外來的陽茗【提問】為什麼八大行星只有土星的環這麼大？

A：

在四顆有行星環的行星裡，土星環的確是最大的行星環。至於為何獨獨是土星擁有著全太陽系裡最大最亮的行星環，我們至今還不清楚（對於行星環人類實在是知之甚少）。

相比起其他行星環，土星環獨特的一點是它的主要成分是水冰而非塵埃和岩石碎屑，這賦予了它較高的反射率，使其更容易在順光視角下被人看見（其餘三顆行星的行星環都是由航天器在逆光角度下進行拍攝確認發現的）。此外根據卡西尼號任務最後階段的資料，土星環的年齡可能只有1000萬到1億年，形成時間不算太長。我們可能在數億年的時間裡正巧趕上了土星環最為壯觀的時刻，連侏羅紀的恐龍們都不見得有這個機會看到它（如果它們有相應的觀測手段的話）。

【智慧（zhàng）機器人：星體：時也命也。】

卡西尼號墜落土星大氣想象圖 / NASA

Q5：

幸福家園【提問】地球為什麼沒有星環？

A：

行星環形成首先需要物質基礎。地球附近的行星際空間相對比較“乾淨”，沒有能夠形成行星環的大量塵埃、水冰、岩屑等物質。其次，地球相對外面那些“巨無霸”來說就是個“小不點”，本身質量小，洛希極限半徑也小，要真弄土星那麼大個的行星環給地球套上，地球也hold不住，這些行星環物質最後可能會聚成一顆或多顆衛星。目前就有假說認為月球起源於地球附近的一圈環狀物質。最後，地球還有月球這麼個天然衛星可以幫忙“打掃院落”。就算地月空間裡存在行星環，月球也可以透過軌道共振將它們逐漸清理乾淨，使其無法穩定存在。

然而凡事都不是絕對的，行星環的存在也是一樣。和地球同屬巖質行星的火星在現階段也是沒有行星環的，但這不代表它以後也不會有。火星的洛希極限距離大約為4500 千米，而火衛一目前正在火星引力的作用下逐漸靠近火星，並將在幾千萬年後最終面臨解體的結局。屆時解體後的它將化為火星的行星環，繼續照亮火星的天空。

【智慧（zhàng）機器人：星環不是你想有，想有就能有。】

火星環想象圖 / 網路

Q5：

襲月【提問】如果月球碎成星環，地球會變成什麼樣子呢？

A：

首先我們來看看，讓月球碎成行星環的條件是什麼？

假如我們想讓月球原地碎裂，僅憑人類目前的力量還無法做到，所以可能的情況應該是一個相對月球來說不算小的外來天體把月球撞了個粉碎性骨折。但這種方式形成的行星環不夠穩定，這些在月球軌道上的碎片還是有機會在撞擊發生後的一段時間裡重新聚集起來形成一顆新的衛星，因為月球最初可能就是從環繞地球的一圈物質環中形成的。

因此我們可以嘗試第二種方法，也就是把月球拖進地球的洛希極限以內，利用地球的引力將月球扯碎。但這個方法以目前人類的力量同樣是無法實現的，因為這需要把月球拖到離地球只有9500千米的地方，這比起目前的地月距離——38萬千米已經算是很近了（這種操作要是玩砸了搞不好就是地月相撞）。

正常的地月距離看起來是這樣的，影象由SpaceEngine生成。 / SpaceEngine

但當月球距離地球只有9500千米時…… / SpaceEngine

從地球上看，9500千米處的月球大小會非常恐怖。 / SpaceEngine

但不管如何（在地球OL裡開掛），我們還是成功做到了把月球拉進地球的洛希極限以內並扯碎成一個完整的行星環（暫且叫它“地球環”吧），在此之後又會發生什麼呢？

一個稍微經過計算就能看出的結果是，會有巨量的月球物質變成隕石砸在地球上。月球的質量著實不可小覷，哪怕龐大如土星環，其質量也不超過月球的千分之一，更別說“地球環”了。因此絕大部分的月球物質將轉化為小天體砸向地表，那估計將是一場曠世浩劫。

這似乎不是一個我們能接受的結果——為了一個“地球環”把地球毀了，因此我們再次假（kai）設（gua）月球碎裂後，除了用於形成“地球環”的那部分物質，其餘物質都被某種引力過程甩到行星際空間去了，沒有直接撞擊地球形成危害。接下來又會發生什麼呢？

從太空中看“地球環”。 / SpaceEngine

首先由於太陽的潮汐力，潮汐現象仍然存在，只不過漲潮落潮幅度會比原來小，且大小潮現象會消失。另外地球自轉軸傾角的變化將比以往更為劇烈，因為失去了月球的穩定作用。與自轉軸傾角變化加劇一道，“地球環”將透過對陽光照射的遮擋改變全球氣候環境。這些都會對地球的生態系統產生顛覆性的影響。再者，作為“地球環”的附加產品，隕石墜落和流星的發生機率將大大增加，這是因為地球會從“地球環”的內側逐漸“吃掉”“地球環”的質量（卡西尼號已在土星觀測到類似現象）。然而“地球環”對人類科技最直接的影響也許莫過於對航天器發射的巨大阻礙。“地球環”的存在將使得中低軌的衛星、飛船和空間站面臨比以往更嚴重的空間碎片撞擊風險，衛星星座組網、導航、通訊都將面臨前所未有的困難。