地球,最多能擁有幾個“月亮”?
來源:學術頭條
發(fā)布時間:2022-08-22
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地球,是人類已知宇宙中唯一存在生命的天體,而月球是地球唯一的天然衛(wèi)星。

根據(jù)天文學家觀測的結果,地球現(xiàn)有一顆天然衛(wèi)星,火星有兩顆,水星和金星則沒有,而太陽系的一些其他巨行星,比如木星和土星,天然衛(wèi)星的數(shù)量卻高達幾十顆。

腦洞一下:地球最多可以擁有幾個“月亮”?

或者說,像地球這樣的行星,最多可以擁有幾顆“月亮”般大小的天然衛(wèi)星呢?

針對以上問題,一項由 3 名物理學家共同完成的新研究給出了答案:3-7 顆。

而具體數(shù)量,取決于天然衛(wèi)星的質(zhì)量。

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圖|三顆“月亮”質(zhì)量的衛(wèi)星圍繞地球運行的示意圖。行星和衛(wèi)星的大小是按比例計算的,衛(wèi)星被限制在穩(wěn)定邊界之間。

相關研究論文以“Moon-packing around an Earth-mass planet”為題,已發(fā)表在預印本網(wǎng)站 arXiv 上。德克薩斯大學阿靈頓分校(UTA)兼職助理教授 Suman Satyal 為論文的第一作者。

Satyal 說:“太陽系的大多數(shù)行星都有多個衛(wèi)星?!薄爸档米⒁獾氖牵衲拘呛屯列沁@樣的巨型行星擁有大約 80 顆衛(wèi)星。但在巖質(zhì)行星中,火星有兩個衛(wèi)星,地球有一個衛(wèi)星。這些差異可能與不同的形成機制和軌道演化過程有關?!?/strong>

在此次工作中,研究團隊使用了一系列 N 體(N-body)模擬(近似于粒子運動),來試圖量化地球或與地球質(zhì)量相當?shù)南低庑行窃谄滠壍郎峡梢猿休d多少顆衛(wèi)星。

研究團隊將多顆衛(wèi)星的 N 體模擬設置在軌道體的內(nèi)部(洛希半徑,Roche radius)和外部(希爾半徑,Hill radius)穩(wěn)定極限之間。

從理論上講,如果一顆衛(wèi)星在洛希半徑內(nèi)運行,它就會被宿主行星的潮汐力分解;如果它在希爾半徑外運行,它就會逃脫宿主行星的重力場。

Satyal 說:“然而,數(shù)值研究表明,實際的穩(wěn)定性極限在洛希的兩倍以內(nèi),約為希爾半徑的一半?!薄耙虼?,我們開始在這些減少的邊界限制之間模擬多個衛(wèi)星(最多 9 個),并檢查其中有多少能‘存活’到模擬時間結束?!?/p>

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圖|Suman Satyal、Marialis Rosario-Franco 和 Billy Quarles。

研究團隊使用與谷神星、冥王星和月亮質(zhì)量相同的衛(wèi)星作為原型質(zhì)量來計算軌道穩(wěn)定性約束。他們發(fā)現(xiàn),有 3 顆月亮質(zhì)量的衛(wèi)星,4 顆冥王星質(zhì)量的衛(wèi)星,以及 7 顆谷神星質(zhì)量的衛(wèi)星可以圍繞一顆地球質(zhì)量的系外行星運行。

“我們的模型忽略了太陽系內(nèi)所有其他行星的引力效應。”“當放眼太陽系之外時,這一點很重要,因為有很多系統(tǒng)只有一顆候選行星。目前有兩個候選系外衛(wèi)星(exomoon),但它們都以一個天文單位(約 1.5 億公里或 9300 萬英里)的距離圍繞類木星行星運行?!?Billy Quarles 是論文的作者之一,現(xiàn)為瓦爾多斯塔州立大學(Valdosta State University)天文學和物理學助理教授。

盡管大約有 5000 顆已知的系外行星有可能承載著數(shù)十顆系外衛(wèi)星,但迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)過被證實的系外衛(wèi)星。Satyal 認為,這種不被發(fā)現(xiàn)的觀測還有其他的約束和限制。

Satyal 認為,他們的研究成果對未來的宇宙觀測具有重要意義,“因為它限制了類地衛(wèi)星在各自宜居帶的存在?!?/strong>

同時,隨著望遠鏡靈敏度的提高,比如最近發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST),我們也許能夠應用凌日法(測量星光的深度)來探測系外衛(wèi)星。由于像地球這樣的巖質(zhì)行星有可能擁有一個以上的衛(wèi)星,這就增加了它們被發(fā)現(xiàn)的可能性。

另外,隨著在類地行星周圍尋找系外衛(wèi)星的研究繼續(xù)進行,這一研究或為科學家們預測某一行星擁有多少顆衛(wèi)星提供上限。

此外,這一研究可能對科幻電影和其他媒體中對系外衛(wèi)星的描述具有文化意義。

“當我們進行調(diào)查時,我看了《星門》(Stargate),注意到研究小組前往的銀河系外行星有三個衛(wèi)星。”“許多電影都闡述了系外衛(wèi)星的可能性,比如《阿凡達》(Avatar)中的潘多拉,《星球大戰(zhàn)》(Star Wars)中的森林衛(wèi)星恩多。我們的研究可以幫助未來的工作在天文學上顯得更加準確。” Quarles 說。

參考鏈接:

https://arxiv.org/abs/2208.03604




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