衛(wèi)星為何不會相撞 海王星的這對小伙伴作了個示范

天聞頻道

隨著宇宙探測技術(shù)日益發(fā)展，人們在行星周圍發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星越來越多。

截至2019年10月7日，人們發(fā)現(xiàn)土星伴有82顆衛(wèi)星，成為太陽系中衛(wèi)星最多的行星，反超之前穩(wěn)坐第一寶座、擁有79顆衛(wèi)星的木星。八大行星中，距離地球十分遙遠(yuǎn)的海王星也被發(fā)現(xiàn)有十余顆衛(wèi)星。如此多的衛(wèi)星“共事一主”，它們會擦出怎樣的火花?衛(wèi)星在運(yùn)行過程中不會相撞嗎?

事實(shí)上，大多數(shù)情況下，它們盡量不“爭寵”，相安無事。近期，美國國家航空航天局(NASA)就發(fā)現(xiàn)，海王星的兩顆衛(wèi)星軌道就上演著一場“躲避之舞”。

共振：讓天體之間存有牽絆

海衛(wèi)三(Naiad)與海衛(wèi)四(Thalassa)的軌道半徑相差僅1850公里，假如二者軌道處于同一平面，理論上這兩顆衛(wèi)星在某一時間將以如此近的距離“擦身而過”。但實(shí)際上并非如此。

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室太陽系動力學(xué)專家瑪麗娜·布羅佐維奇領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，海衛(wèi)三和海衛(wèi)四的最短距離約為3540公里，接近軌道距離的2倍。如果以海衛(wèi)四的軌道平面為參考平面，海衛(wèi)三的軌道是傾斜的，而且傾斜得“恰到好處”。想象一下，當(dāng)海衛(wèi)四正在自己的軌道上優(yōu)哉游哉地轉(zhuǎn)著，海衛(wèi)三卻逐漸逼近，但在快要接近海衛(wèi)四時，又逐漸跳到參考平面的上方，拉開了與海衛(wèi)四的距離。這樣“刻意保持距離”的相遇每隔一段時間就會重復(fù)一次。研究人員稱之為“躲避之舞”。

研究人員認(rèn)為，即使以太陽系外圍的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，海王星這兩顆衛(wèi)星的軌道構(gòu)型之奇特也是前所未有的。

“我們把這種重復(fù)模式稱為共振。行星、衛(wèi)星和小行星可以跳出很多不同類型的共振‘舞蹈’，但這一種我們從未見過。”瑪麗娜·布羅佐維奇說。

共振，是指一物理系統(tǒng)在特定頻率下，比其他頻率以更大的振幅做振動的情形。就像一根繩子吊著一個鐵球在同一平面內(nèi)擺動，如果總是在鐵球達(dá)到最高點(diǎn)時用手施加一個正向的力，球擺動的幅度就會越來越大。那么，擺動的球和施加力的手就組成了一個處于共振狀態(tài)的物理系統(tǒng)。

“人們很早就發(fā)現(xiàn)，這種共振構(gòu)型在太陽系中也普遍存在。”中國南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇在接受科技日報(bào)記者采訪時表示，共振能夠相互影響天體的軌道參數(shù)，就像一種無形的繩索一樣把2個天體或多個共振天體緊密地聯(lián)系起來，甚至能夠“鎖定”軌道。

要知道，太陽系中存在無數(shù)個天體，每一個天體都意味著一份萬有引力。尤其當(dāng)我們的研究對象是“塊頭”不大的衛(wèi)星時，外界稍有擾動力，可能都會對衛(wèi)星的軌道產(chǎn)生影響。這種情況下，也許連衛(wèi)星自己都不能精確地預(yù)測，下一刻它會出現(xiàn)在哪個地方，是否會逃出行星的掌控。但是，如果衛(wèi)星和周圍的“小伙伴”們產(chǎn)生共振，那么衛(wèi)星軌道就可以逐漸固定下來，軌道構(gòu)型也通常會以某一特定的方式隔一段時間重復(fù)一次。共振衛(wèi)星交會時，也會趨向于保持更遠(yuǎn)的距離，以減小引力的影響，保持軌道穩(wěn)定，就像此次發(fā)現(xiàn)的海王星兩顆衛(wèi)星軌道構(gòu)型一樣。

周禮勇表示，盡管衛(wèi)星的軌道往往是不同軌道半徑的圓或橢圓，通常不存在相撞的風(fēng)險(xiǎn)，但共振機(jī)制無疑為避免相撞又提供了一種額外的保護(hù)機(jī)制。

傾角：為罕見之舞提供平臺

“此次發(fā)現(xiàn)的共振類型屬于傾角型平運(yùn)動共振。”周禮勇說。

“太陽系天體之間的共振有很多類型，包括平運(yùn)動共振、長期共振、軌道自旋共振等。按照參與天體的個數(shù)還可以分類成兩體共振、三體共振等。”周禮勇告訴科技日報(bào)記者，其中最常見、人們研究最多的是兩體共振中的平運(yùn)動共振。

當(dāng)行星、衛(wèi)星之間的軌道頻率或周期相等，或存在簡單整數(shù)比關(guān)系時，我們就認(rèn)為這些天體之間存在平運(yùn)動共振現(xiàn)象。平運(yùn)動共振又可細(xì)分為偏心率型共振和傾角型共振。前者的共振天體軌道平面往往處于同一平面或兩個軌道面夾角不大，如海王星和冥王星之間的3∶2共振、土衛(wèi)六和土衛(wèi)七之間的4∶3共振、土衛(wèi)一和土衛(wèi)三之間的2∶1共振;后者共振天體處于不同平面，如此次發(fā)現(xiàn)的海衛(wèi)三和海衛(wèi)四之間的73∶69共振。

“不僅傾角型共振在太陽系中十分罕見，如此大的整數(shù)比也非同尋常。”在周禮勇看來，與以往人們發(fā)現(xiàn)的共振模型相比，這次兩顆衛(wèi)星的頻率之比更接近于1。理論上來講，大整數(shù)比的共振天體軌道不甚穩(wěn)定，因?yàn)樘祗w落入相鄰比例共振構(gòu)型的幾率在大大增加。以海衛(wèi)三和海衛(wèi)四構(gòu)成的共振構(gòu)型為例，稍有擾動，就可能讓這兩顆衛(wèi)星的共振變?yōu)?4∶69或73∶70等接近于1的數(shù)值，但如果想讓海王星和冥王星之間由3∶2共振轉(zhuǎn)變?yōu)?∶1或3∶1等其他共振，也很難實(shí)現(xiàn)。

因此，海衛(wèi)三、海衛(wèi)四這兩顆衛(wèi)星靠得如此之近，且穩(wěn)定運(yùn)動，“很奇特，就像是被人特意放進(jìn)去的一樣。”周禮勇說。

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