太陽系中最奇異的衛星有哪些?

2021年07月07日10:09
在我們的宇宙附近,一些最奇異的星球不是行星,而是繞行星運行的衛星
在我們的宇宙附近,一些最奇異的星球不是行星,而是繞行星運行的衛星

  7月7日消息,在我們的太陽系中,除了水星和金星之外,其他行星都有一顆或多顆天然衛星。地球的衛星,當然就是我們熟知的月亮,是一個美麗而荒涼的無生命世界,由古老的火山和無數的撞擊坑塑造而成。儘管月亮是我們最熟悉的天然衛星,但它卻不是最有趣的衛星。外太陽系的每一顆巨大行星都擁有大量的衛星,其中許多衛星與主行星同時形成,並且和主行星一樣,也是由富含冰的物質構成。儘管這些衛星遠離太陽且缺少陽光和熱量,但它們仍然和它們的主行星一樣豐富多彩。

  在這裏,我們將啟程去認識一下這些最奇怪和最令人興奮的神奇世界。有些衛星,比如木衛四(也叫“卡里斯托”)和土衛一(“彌瑪斯”),數十億年來一直凍得嚴嚴實實,但太空的撞擊在這些星球表面留下了非凡的疤痕。其他衛星,比如土星的牧羊犬衛星土衛十八(“潘”)和土衛十五(“亞特剌斯”)以及海王星的孤獨衛星海衛二(“內勒德”),在它們的一生中都受到與周圍天體相互吸引的影響。最令人興奮的是,其中有一些奇異的星球受到主行星強大的潮汐力的加熱,引發劇烈活動階段,比如這些劇烈活動曾塑造了天王星的弗蘭肯斯坦衛星天衛五(“米蘭達”)。在某些情況下,這些強大的潮汐力至今仍在發揮作用,創造出迷人的天體,比如備受折磨的木衛一(“艾奧”)和冰冷的土衛二(“恩克拉多斯”)。土衛二的平靜外表下甚至可能還隱藏著太陽系中最大的秘密:外星生命。

  土衛二

水柱從土衛二南極的裂縫噴湧而出
水柱從土衛二南極的裂縫噴湧而出

  自NASA的卡西尼號探測器在2004年抵達土星以來,這顆自帶美麗光環的行星的內層小衛星——土衛二——已成為整個太陽系中被研究最多、討論也最多的星球之一。土衛二最近一次出名是因為人們發現有巨大的水冰羽流從該衛星的南半球的裂縫噴射到太空中,這個現象說明土衛二薄薄的冰冷外殼之下隱藏著液態水。

  在卡西尼號抵達之前,早期照片顯示這顆衛星的表面異常光亮,表面的隕石坑彷彿是被冰雪覆蓋一般。於是,人們免不了懷疑土衛二上面是不是有一些奇怪的活動。儘管如此,卡西尼號在飛掠水冰羽流時拍攝下的羽流照片無疑是一個壯觀的證據,證明土衛二確實是一個活躍的世界。

  土衛二的直徑為504公里,由岩石/冰塊組成。和土星系統的許多衛星一樣,土衛二也應該在幾十億年前就是一顆冰凍的星球。但是,土星和更大的衛星土衛四(“狄俄涅”)之間的引力拉鋸產生的潮汐力,讓土衛二的內部得以保持溫暖和活躍,從而使土衛二成為在太陽系內尋找外星生命的主要目標。

  當大部分水冰回落並覆蓋土衛二的表面時,一部分水冰在弱引力作用下逃離並進入土星軌道。在這裏,水冰舒展開來,形成一個甜甜圈狀的E環,即土星環最外層也是最稀疏的一環。

  木衛四

NASA的伽利略號探測器拍攝的木衛四
NASA的伽利略號探測器拍攝的木衛四

  木衛四是木星的四顆伽利略衛星中距離木星最遙遠的一顆衛星,也是太陽系中第三大衛星,僅比水星小一點。木衛四的名氣來自它是太陽系中遭受最猛烈撞擊的天體;其漆黑的表面佈滿了難以分辨的隕石坑,最深的隕石坑裡幾乎有地底下的冰層裸露,並且表面散佈著明亮的“噴射”碎片。

  木衛四在木星系統中的位置導致了其表面到處都是隕石坑。這顆巨大行星的引力帶來強大的影響,擾亂了掠過木星的彗星軌道,並經常把掠過的彗星拉向它們的末日。1994年,休梅克-利維9號彗星與木星相撞,是最為著名的一次天體撞擊事件。

  而木星的一些比較大的衛星則最容易受到撞擊的牽連,只不過木衛四的其他內層鄰居(受到的潮汐力影響更大)都經曆了將古老的隕石坑抹去的地質過程。但是,木衛四的表面,在超過45億年的時間里,基本上保持不變,於是便形成了跨越億萬年的隕石坑層疊交錯的壯觀景象。

  艾衛

NASA的伽利略號探測器拍攝的艾衛
NASA的伽利略號探測器拍攝的艾衛

  艾女星(小行星243)是一顆小行星。它也有一顆衛星,叫做艾衛(“Dactyl”)。艾衛沿其最長軸處的直徑只有1.6公里。艾女星的引力比較弱,因此捕獲艾衛到自己軌道上的可能性不大。更有可能的是,艾女星和艾衛同時形成,但這種可能性也存在諸多疑問。

  艾女星是鴉女星族的主要成員,這個小行星家族內有超過300多顆小行星。鴉女星族小行星都有著相似的軌道,人們認為它們是在大約10億到20億年前的一次小行星撞擊下形成的。艾衛可能是這次撞擊產生的較小殘骸的碎片,最後落入艾女星的軌道。但這也存在一個問題——計算機模型顯示,另一顆小行星的撞擊足以將艾衛摧毀。

  所以,艾衛究竟是如何存在十億多年的呢?

  一個理論認為,鴉女星族可能比看起來的更年輕,而艾女星上的嚴重撞擊坑也是來自於最初的分解引發的衝擊風暴。另一個理論認為,艾衛曾遭受毀滅性的撞擊,但如NASA發現的那樣,它又將自己拉回了原有的軌道,這或許也解釋了艾衛那極不尋常的球形形狀。

  土衛八

左圖為土衛八的前半球,右圖為土衛八的後半球。
左圖為土衛八的前半球,右圖為土衛八的後半球。

  土衛八(“伊阿珀托斯”)有兩個理由可以讓其躋身於最奇異衛星之列。第一個理由很明顯。1671年,人們發現土衛八時,注意到它的一面要比另一面昏暗許多。土衛八的前半球,也就是繞土星運行時始終面向土星的那一面,是深棕色的,而背面的半球則是淺灰色。一個解釋前後半球顏色差異的早期理論認為,土衛八的前半球被微小隕石撞擊外層小衛星時產生的塵埃所覆蓋,所以這半面看上去更昏暗。

  但是,卡西尼號拍攝的照片講述了一個更為複雜的故事。大多數暗色物質似乎來自土衛八的內部,是土衛八表面夾雜塵埃的冰體昇華之後殘留下來的粗屑。起初,來自外層衛星的塵埃在土衛八的前半球慢慢積累,導致這半面的顏色加深,繼而開始吸收熱量,產生昇華效應。

  土衛八的另一個神秘之處是環繞該衛星的赤道脊。土衛八的赤道脊高約13公里,寬20公里。赤道脊讓土衛八看起來十分獨特,有點像核桃的樣子。赤道脊的形成仍是一個謎。有些理論認為,很久以前土衛八的自轉速度要比現在快許多,並在赤道附近形成隆起,最後留下我們今天看到的赤道脊,而其他人則認為土衛八上曾經環繞著一個環狀系統,後來環狀系統崩塌而形成了如今的赤道脊。

  海衛二

海衛二於1949年由天文學家傑拉德·柯伊伯發現。
海衛二於1949年由天文學家傑拉德·柯伊伯發現。

  海衛二是發現的第二顆繞海王星運行的衛星,海衛二的上榜理由是其極端的軌道。海衛二與海王星的距離在140萬到970萬公里之間。這種軌道往往是捕獲的衛星的典型特徵。巨大外行星的超強引力會將經過的小行星和彗星捲入偏心率極高的軌道。但是,海衛二的不尋常軌跡講述了一個更為有趣的故事。

  1989年,旅行者2號飛掠海王星時獲得的證據表明,海衛一(“特里同”)是海王星從附近的柯伊伯帶捕獲的天體。海衛一會擾亂海王星原始衛星的軌道,將其中的許多原始衛星彈射出去。但不少天文學家相信,海衛二可能是倖存者,在海王星的引力邊緣緊抓不放。

  木衛一

NASA的伽利略號拍攝的木衛一
NASA的伽利略號拍攝的木衛一

  太陽系中最大的行星木星擁有四顆巨大的伽利略衛星。木衛一是其中之一。但是,儘管另外三顆相對外層的伽利略衛星——至少表面上來看——都是平靜的冰凍星球,但木衛一的表面是黃色、紅色和棕色的可怕混合,充斥著各種奇怪且一直在變化的礦物結構。以各種形式湧到木衛一表面的硫磺造就了這些形態各異的礦物結構。另外,木衛一也是太陽系中火山活動最活躍的天體。上世紀七十年代初,先驅者號太空探測器飛掠木衛一期間首次觀察到該衛星的奇怪表面,但是一直到1979年旅行者1號抵達的前幾週,人們才開始推測木衛一上有活躍的火山活動。

  受到外層衛星和木星本身之間的引力拖曳作用,木衛一的軌道很難穩定成一個完美的圓圈。木衛一與木星之間的距離的微小變化(小於0.5%的軌道變化)會產生巨大的潮汐力,從各個方向衝擊木衛一的內部。相互磨擦的岩石因為摩擦升溫,使得木衛一的核心被熔化,並在地表下形成巨大的岩漿庫。

  雖然木衛一的大部分岩石和地球上的岩石類似,都是矽酸鹽,但木衛一的岩石熔點相對更高一些,因此這些熔化的岩石大多位於地表下數十公里深處的熱熔岩海洋中。相比之下,木衛一的大部分表面活動都跟富含硫的岩石有關,這些含硫岩石的熔點就比較低,可以在稍低溫度下仍保持熔融狀態。

  長期以來,在這兩種形式的火山活動的共同作用下,木衛一早已失去其原本擁有的任何冰物質,如今只剩下一個乾旱且無冰的世界,儘管木衛一的平均地表溫度低至零下160攝氏度。

  土衛七

2005年9月26日卡西尼號飛掠期間拍攝的土衛七偽色圖像
2005年9月26日卡西尼號飛掠期間拍攝的土衛七偽色圖像

  土衛七(“許珀里翁”)大概是太陽系里樣子最古怪的衛星。土衛七的表麵類似於海綿或珊瑚,並帶有深邃且黑暗的坑洞,坑洞的邊緣是明亮的岩石和冰塊構成的鋒利山脊。但這還不是土衛七奇怪的唯一之處。土衛七也是發現的首個非球形衛星,還有著明顯的偏心軌道。

  通常一個天體的自轉和軌道相匹配,但土衛七獨闢蹊徑。它的自轉毫無規則,自轉軸不可預測地擺動著。雖然土衛七也和外太陽系的所有衛星一樣,主要成分為水冰,但它的表面卻又異常黑暗。當卡西尼號飛掠土衛七時,卡西尼號測量出土衛七的密度只有水密度的55%,也就是說,土衛七幾乎是空心的。

  一個解釋這些奇怪特徵的流行理論是,土衛七是更大衛星的殘骸,這顆曾經的衛星在土衛六(“泰坦”)和土衛八之間運行,後來與一顆大彗星相撞,幾近毀滅。在穩定軌道上倖存下來的殘留物質逐漸重聚,最終形成了我們今天看到的土衛七。

  土衛六

土衛六的近紅外彩色圖像顯示該衛星的北極海域波光粼粼
土衛六的近紅外彩色圖像顯示該衛星的北極海域波光粼粼

  土星的最大衛星——土衛六,在太陽系中著實獨一無二,只因土衛六是唯一一顆擁有豐富大氣層的衛星。當旅行者號探測器發回的照片顯示土衛六不過是一個朦朧的橙色星球時,NASA的科學家為此還好一陣失落。隨後,配備紅外線和雷達儀器的卡西尼號軌道探測器得以透過模糊的大氣層,向我們展示了一個擁有河流和湖泊的溫和景觀,和太陽系里其他的星球都不一樣,唯獨像極了我們的地球。儘管土衛六比水星還要大,但是土衛六能維持如此濃厚的大氣不是靠引力,而是靠該衛星上的極低溫度。土衛六距離太陽約14億公里,表面平均溫度為零下179攝氏度。

  土衛六上的大氣以惰性氣體氮氣為主(氮氣也是地球空氣的主要成分),但缺失空氣中佔比相對較小的甲烷造就了其大氣的獨特顏色、不透明霧靄和雲團。神奇的是,土衛六上的環境恰好適合甲烷在氣態、液態和固態之間轉換,創造出和塑造地球氣候的水循環非常相似的“甲烷循環”。在寒冷環境下,甲烷凍結成冰霜覆蓋在土衛六的地表;在溫度適宜的環境下,甲烷凝結成液滴降雨落下,同時侵蝕和軟化地表景觀,最後積聚成湖泊;而在更加溫暖的地區,甲烷通過蒸發返回大氣層。

  土衛六上也有著與地球相似的季節變化,只不過土衛六上的一年相當於我們在地球上的29.5年。冬季極地的溫度似乎有利於降雨,因此在土衛六的每一年中,湖泊從一極遷移到另一極。基於所有這些活動,土衛六無疑是我們尋找外星生命的一個有趣目標,儘管大多數生物學家認為在如此惡劣和化學有限的條件下,有機生命很難生存。大多數人也更加同意,土衛六的內層鄰居——土衛二,孕育生命的可能性更大。

  天衛五

NASA的旅行者2號拍攝的照片組成的天衛五圖像
NASA的旅行者2號拍攝的照片組成的天衛五圖像

  天衛五有著太陽系內最特別的世界。旅行者號拍攝的圖像展示了一個彷彿隨機東拚西湊起來的地貌。有些部分撞擊嚴重,有些部分幾乎沒有撞擊坑——說明這部分地區相對年輕,沒有遭受太多衝擊。一個明顯的特徵是類似賽道的同心橢圓圖案,而在其他地方平行的V型形狀構成一個雪佛蘭車標狀的疤痕。

  一個解釋天衛五混亂地貌的早期理論認為,這是一個弗蘭肯斯坦星球,天衛五的前身被撞碎後,碎片在天王星的軌道上重新合併成新的衛星。天文學家們也好奇,天衛五的前身是否有可能被任何星際撞擊擊碎,以及這一災難性事件有沒有可能和天王星自身的極端傾斜有關。然而,進一步的研究表明,這個理論在解釋天衛五的殘破如補丁般的地表特徵時,說服力不足,且造成這種結果的撞擊也不太可能發生。相反,潮汐力更有可能是罪魁禍首。

  如今,天衛五繞著一個近乎圓形的軌道運行,但是在過去,天衛五的曾與更大的衛星天衛二(“烏姆柏里厄爾”)有軌道共振關係。軌道共振使兩顆衛星時不時地對齊,將天衛五的軌道拉成一個細長的橢圓,受到極端的潮汐力影響。在兩顆衛星再次移動以及天衛五活動平息之前,在內部的拉扯和加熱作用下,天衛五的表面變得四分五裂後再次重新組合。

  土衛一

在土衛一的右側,可以看到凸起來的赫歇爾撞擊坑
在土衛一的右側,可以看到凸起來的赫歇爾撞擊坑

  上世紀八十年代,NASA的旅行者號太空探測器發回土衛一的第一張詳細照片時,科學家和公眾都對這顆衛星與《星球大戰》中的死星的相似之處感到十分驚訝。威廉·赫歇爾在1789年發現土衛一。為紀念這位發現者,人們將佔據幾乎整個半球的巨大隕石坑命名為赫歇爾撞擊坑。赫歇爾撞擊坑的大小和形狀和喬治·盧卡斯在《星球大戰》中設想的摧毀行星的激光炮幾乎一模一樣。但是,土衛一帶給我們的可不止流行文化的相似性。

  土衛一是土星的實質性衛星中最內側的一個,軌道比土衛二更近,但比土衛十八和土衛十五更遠一些。土衛一的直徑僅396公里,是太陽系中已知最小的達到流體靜力平衡的天體。太陽系中一些更大的天體也還沒有達到流體靜力平衡,並且大多數天文學家相信,土衛一能夠做到這一點是因為它的密度比較低——只比水的密度高出15%。

  土衛十八和土衛十五

突出的赤道脊賦予土衛十八和土衛十五獨特的“飛碟”形狀
突出的赤道脊賦予土衛十八和土衛十五獨特的“飛碟”形狀

  土星的兩顆內衛星——土衛十八和土衛十五,是太陽系中最小的衛星。但是,儘管它們尺寸不大,但從我們地球上卻可以清楚地看到它們所帶來的影響:在土星環系統中製造出明顯的“間隙”。

  這兩顆小小星球或許也是牧羊犬衛星的最著名例子。牧羊犬衛星指的是在巨型行星環狀系統內或周圍運行的小型衛星。顧名思義,當遇到遙遠的外層衛星的影響時,牧羊犬衛星可以把微粒吸入行星環系統內,同時“清理”其他微粒。土星明亮的A環內有一個顯著的縫隙,叫做恩克環縫,造成這個縫隙的始作俑者就是土衛十八。而土衛十五在A環的外側運行。

  這兩顆衛星的最有趣之處在於它們光滑的外形,像極了核桃或者飛碟。NASA的噴氣推進實驗室的邦尼·布拉蒂認為,這兩顆衛星在忙於清理土星環的同時,自己卻被這些微粒覆蓋。由於大多數微粒都在一個1公里厚的平面上運行,它們趨向於堆積在兩顆衛星的赤道周圍,逐漸積累形成獨特的赤道脊。(勻琳)

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