終有一天,火星會擁有壯觀的火星環《下一站火星》#10

太陽系裡的水星和金星比較孤獨、沒有任何衛星陪伴。由於距離恆星過近、潛在衛星受到的軌道攝動力太大、日積月累下來便被行星和恆星的複雜軌道攝動給甩出去,導致這兩個孤零零的行星存在。

而其他的行星都有自己的衛星甚至是衛星系統,他們在一起形成了一個家族。不過地球作為水星和金星之後的行星,也在面臨類似的問題:唯一的衛星月球一定會離開我們,雖然目前平均速度僅是3.8厘米/年。

可是,在行星乃至星系演化歷史上,最不缺的就是時間。

開始談火星,它有兩個兒子/衛星:火衛一福波斯(Phobos)和火衛二德莫斯(Deimos),它們是希臘戰神阿瑞斯的兒子,阿瑞斯也是火星最早的名字,只不過後來羅馬人把它改成了自家的戰神馬爾斯(Mars),但兩顆衛星的名字還沿用了阿瑞斯的孩子們。

跟火星的3400千米半徑相比,它倆是在太過渺小:火衛一的半徑只有11千米左右,而火衛二的半徑只有6千米左右,以至於它倆的引力都不足以維持自身的圓形。

火衛一和火衛二的形狀很不規則,也遍布隕石坑 ?NASA

相比較月球距離地球38萬千米且由於太陽系內複雜引力攝動的影響在不斷遠離地球,火星的兩顆衛星卻距離火星僅僅9400千米(火衛一)和23460千米(火衛二)。它們的運動周期非常短,火衛一僅需7小時39分鐘便環繞一周,火衛二需要30小時18分鐘,遠遠短於月球的一個月時間。

由於它們距離火星近、運動周期短、形狀不規則、導致它們受到火星的潮汐引力更強。火星的同步軌道(這個高度上軌道周期與火星自轉時間一致)高度為17000千米,長久來看,低於此的火衛一會慢慢靠近火星。

但火衛二的軌道是高於同步軌道的,它在火星潮汐牽引下的趨勢是逐漸遠離火星,最終離開,如同月球一樣。

天文學上有個概念叫做洛希極限:當衛星靠近行星、行星靠近恆星達到這個距離極限時,它們受到的潮汐引力將會導致它們無法維持當前形狀,導致解體,這跟二者的密度、引力等相關。

地球對月球的洛希極限為大約9500千米,月球(38萬千米之外)是根本不可能被解體的。而火星對它兩顆衛星的洛希極限為大約為5470千米,這意味著按照現在的趨勢在大約760萬年後火衛一將突破洛希極限而解體。

土星環的前身,也許就是一堆在突破洛希極限後被撕碎的衛星們。。

這些解體後的衛星碎片並不會立即落向火星,它們會形成一個美麗的碎片環,如同土星數十萬千米的環一樣。由於土星周邊衛星主要成分各不相同,既有岩石質地的剛體,又有以冰為主的冰凍星球,不同物質的洛希極限不盡相同,結果就是它們在億萬年內被撕碎後形成了風采各異的土星環,成為太陽系最壯觀的景象之一。

同時,被行星影響較大的衛星還會出現一個現象叫做潮汐鎖定。當衛星圍繞行星運動時,它的一側總會被引力吸引而傾向於「長高」,而長高的這部分也在參與衛星本身的自轉。如果自轉比公轉慢,這個自轉長高的部分就起到了自轉加速器的作用;如果自轉比公轉快,則起到了自轉剎車片的作用。久而久之,就會形成獨特的衛星自轉和公轉完全相同的現象。

在這種情況下,如果衛星被潮汐鎖定,它們自己轉一圈的同時也圍繞行星轉了一圈,這就導致在行星上永遠只能看到衛星的一面。這就好比你小時候圍繞小夥伴轉圈時(公轉)一直把拿著禮物的手放在背後(自轉),小夥伴就只能一直看你正面而看不到你背後的手了。

由於潮汐鎖定的結果,人類永遠只能看到月球的這一面 ?NASA

人類身邊最經典的例子就是月球,它早已在億萬年前被潮汐鎖定,我們永遠只能看到月球的一面。土星和木星的引力巨大,它們的很多衛星也被潮汐鎖定了。

從理論上講潮汐鎖定是相互的,比如月球也在逐漸拉長地球的自轉時間,使它最終傾向於等於圍繞月亮的公轉時間(一個月)。但由於月球引力過小,這種影響實在微乎其微,每100年的影響才導致地球上的一天延長了1.8毫秒。

你如果住在火星上,在一天之內能看到2次火衛一東升西落,但無論什麼時候都只能看到它的其中一面,是不是也會聯想它的背面到底是什麼?就像我們看月球。

同時,由於火衛一距離火星很近,影子幾乎總能投射到火星上,因此你也能很容易看到日全食(在衛星的影子里看太陽)。不過由於影子太小且運動速度太快,基本上3秒鐘日全食就結束了。

而且總有一天,它會在你眼前逐漸解體成一個大環圍繞火星運動。但那一點都不好看,因為總有時不時的高空墜物砸向地表。

但那不是流星雨,那是隕石撞擊的災難。

還有更多火星相關內容在本人自己錄製的喜馬拉雅音頻,可以聽一聽:

科學發聲會(一):下一站火星_有聲小說在線收聽-喜馬拉雅FM?

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這是本專欄《下一站火星》寫作計劃的第十篇,往期內容:

太空精釀:我們為什麼要走出地球?《下一站火星》發刊?

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