木星环(土星环)

编者按:“浩瀚空的天空中，还有许多未知的奥秘有待探索。”因此，中国科学院之声与中国科学院国家空科学中心联合开设科普专栏《呼唤泰空，在空为大家讲述有趣的故事，介绍一些与科学和太空相关的知识。

你可能听说过木星和土星比我们地球大很多，而且天然的“卫星”不止一颗，就像一个小星系。那么，你知道他们都有多少颗卫星吗？

人类已知大约有82颗土星卫星。而且随着观测手段和精度的提高，可能还有其他未被发现的卫星！木星也类似。今年6月，据报道，一名业余天文学家发现了一颗新的木星卫星。虽然尚未正式命名，但它将使木星的卫星数量达到80颗。

为什么他们家那么大？！

木星首次发现的卫星(图片来自互联网)

什么是“卫星”？

所谓天然卫星(Moon，即月球的英文)是围绕一颗行星(如地球)运行的行星，行星是围绕一颗恒星(如太阳)运行的行星。

与行星和矮行星的定义不同，卫星不要求球形，也不需要清除空轨道上的其他天体。卫星的主要要求是在轨道上绕行星飞行，而不是像太阳那样绕恒星飞行。这主要是物体在重力作用下飞行速度方向的变化，转出来的弧线与地球的地球仪一致。

我们的地球只有一个月球，还有两个相邻的火星，但是有很多“气体行星”木星和土星。就像我刚才说的，有80多个。

在这些卫星中，大的那颗和我们地球一样是一颗宏大的行星，小的那颗可能是一块奇形怪状的巨石。例如，下面这张照片是卡西尼飞船于2012年7月23日在距离土卫二26万英里(约42万公里)的地方拍摄的。这颗行星的平均直径为1118公里，主要由冰组成。从照片上可以看到，它的表面有峡谷、线条(卡西尼号飞船拍到的可能是冰崖)和撞击坑。这是一个地貌丰富的星球。

卡西尼飞船拍摄的土卫六照片(图片来自互联网)

第80颗木星卫星是如何被发现的？

在这一发现之前，前面提到的这位名叫Kai Ly的朋友，在2003年利用3.6米CFHT观测到的数据，识别出了一些已经被发现但失去位置记录的木星卫星。

今年6月，他开始检查2003年2月拍摄的图像，当时木星处于太阳高峰期，其卫星处于最亮状态。他检查了2月24日夜间不同时间覆盖同一天区域的三幅观测图像，发现当晚有三个目标点——三颗可能未被发现的卫星——以每小时13至21角秒的速度移动。

Ly进一步在其他时间图中发现了其中一颗卫星(Ly称之为EJc0061)，并由此建立了22天弧轨迹，表明该星与木星相连。此后，高精度的轨道预测和星历表使他能够探索2003年以后的观测记录。后来，他观察到越来越多的验证结果。比如从2018年的结果来看，他是在预测的卫星位置附近发现的。这颗弱卫星的视星等在23.2到23.5之间。

最终，他根据15.26年(5574天)期间的76次观测记录，画出了这颗卫星的轨道。看来它的轨道会稳定几十年。夏威夷大学的大卫·索伦(David Tholen)表示，这些数据几乎完整地记录了这颗卫星在8个轨道上的运动(周期为1.9年)，足以证明它是一颗木星卫星。

2021年6月30日，Kai Ly向小行星邮件列表报告了这一发现，并提交给小行星电子通告发表。这是木星的第80颗卫星。

土星和木星有几十颗卫星。可能的原因有哪些？

那么，为什么土星和木星有那么多卫星，而地球只有月亮呢？我们可能会说:因为它们大！而且它们的质量也很大！然而，太阳系中的其他行星，如火星和冥王星，比地球小，但它们都有两个或更多的卫星。土星的质量确实对它的卫星有帮助，但这只是因素之一。这个问题很复杂。这里简单介绍一下科学家提出的一些可能的原因。

首先，在太阳系的形成过程中，形成了大大小小的天体(当然，都没有太阳大)。小天体离太阳越近，它的活动性空越小，遇到其他大行星吸引它成为卫星的几率就越小。而且我们也知道，离太阳越近，太阳引力越大，所以这个小天体比卫星更有可能成为太阳周围的行星或小行星。就像水星离月球很近，但水星是一颗行星，因为它直接被太阳吸引，绕着太阳旋转。

太阳系的“冻结线”在小行星带附近(图片来自网络)

其次，离太阳越远，围绕太阳的圆的周长和面积越大。在早期的太阳系中，轨道沿线包含的宇宙尘埃越多，聚集在一起的小恒星就越多。此外，在火星和木星轨道之间的“霜线”位置，由于太阳加热效应，线中的水、氨和甲烷只能以液态或气态存在，无法形成天体；但是超过这条线，这些成分就可以凝固成固体，从而成为天体的成分。如果有大质量的行星靠近它们，并且附近行星的吸引力大于远处太阳的吸引力，恒星就可以被行星吸引成为卫星。冻结线位置呢？著名的小行星带就是在这里形成的。

土星和木星不仅在各自的位置上布满灰尘(两者都有由灰尘和砾石组成的环)，而且靠近柯伊伯带，柯伊伯带是由数十亿个小冰体组成的碟形带，在海王星轨道之外运行(冥王星属于更大的柯伊伯带天体)，因此很有可能偶然从柯伊伯带捕捉到该天体，使其成为卫星。因此，土星和木星卫星的“原料库”也非常庞大。

柯伊伯带示意图(图片来自网络)

当然，这里还是要说说土星或者木星“大”的问题。土星的体积是地球的745倍，质量是地球的95.18倍。木星是太阳系中最大的行星。在太阳系的行星中，它的体积仅次于太阳，体积是地球的1316倍，质量是地球的318倍。显然，它们对小天体的吸引力要比地球大得多。结合它们与太阳的距离，我们可以计算出“希尔球体”这个参数，它代表了在行星周围引力平衡状态下，可以容纳卫星的球体之间的半径空。简而言之，希尔球体越大，它能容纳的卫星就越多。感兴趣的朋友可以搜索一下。木星山丘球体的直径比地球山丘球体的直径大近一百倍。

此外，还有一种理论认为土星和木星质量都很大，尤其是木星。当被木星吸引的小天体接近它到一个叫“洛希极限”的位置时，它会被潮汐力撕裂解体，留下一个相对坚固的内核，松散的土星光环物质(宇宙尘埃等。)会逐渐堆积在表面，逐渐变大，最终形成卫星。《流浪地球》这部国内很受欢迎的科幻片，之前提到过洛希极限和星球撕裂的问题，虽然影片中使用的洛希极限数据不够准确。

木星和土星会有更多的卫星吗？

目前，太阳系中大约有200颗这些行星的卫星。随着望远镜的进步，天文学家无疑会发现更多围绕木星和土星运行的较小卫星。有学者计算过，它们可能都有数百颗甚至更多的卫星。例如，来自加拿大的一个天文研究小组经过观察和算账，认为仅木星周围可能就有600颗左右的候选卫星，直径都在800米以上。

这会带来另一个问题——多大的天体才能算是卫星？现在没有准确的数据范围。等太阳系多了几百颗或者几千颗卫星，就该讨论了。有学者认为，卫星会有一个新的划分标准线，就像行星分隔矮行星一样。

实际上，天文学家只把他们能确定轨道的天体算作卫星。比如你可能会好奇，木星环和土星环不是有很多碎片吗？它们算不算卫星？从上面的定义方法来看，环中的砾石和大颗粒不会算作卫星。