终有一天,火星会拥有壮观的火星环《下一站火星》#10

太阳系里的水星和金星比较孤独、没有任何卫星陪伴。由于距离恒星过近、潜在卫星受到的轨道摄动力太大、日积月累下来便被行星和恒星的复杂轨道摄动给甩出去,导致这两个孤零零的行星存在。


而其他的行星都有自己的卫星甚至是卫星系统,他们在一起形成了一个家族。不过地球作为水星和金星之后的行星,也在面临类似的问题:唯一的卫星月球一定会离开我们,虽然目前平均速度仅是3.8厘米/年。


可是,在行星乃至星系演化历史上,最不缺的就是时间。


开始谈火星,它有两个儿子/卫星:火卫一福波斯(Phobos)和火卫二德莫斯(Deimos),它们是希腊战神阿瑞斯的儿子,阿瑞斯也是火星最早的名字,只不过后来罗马人把它改成了自家的战神马尔斯(Mars),但两颗卫星的名字还沿用了阿瑞斯的孩子们。


跟火星的3400千米半径相比,它俩是在太过渺小:火卫一的半径只有11千米左右,而火卫二的半径只有6千米左右,以至于它俩的引力都不足以维持自身的圆形。

火卫一和火卫二的形状很不规则,也遍布陨石坑 ©NASA


相比较月球距离地球38万千米且由于太阳系内复杂引力摄动的影响在不断远离地球,火星的两颗卫星却距离火星仅仅9400千米(火卫一)和23460千米(火卫二)。它们的运动周期非常短,火卫一仅需7小时39分钟便环绕一周,火卫二需要30小时18分钟,远远短于月球的一个月时间。


由于它们距离火星近、运动周期短、形状不规则、导致它们受到火星的潮汐引力更强。火星的同步轨道(这个高度上轨道周期与火星自转时间一致)高度为17000千米,长久来看,低于此的火卫一会慢慢靠近火星。


但火卫二的轨道是高于同步轨道的,它在火星潮汐牵引下的趋势是逐渐远离火星,最终离开,如同月球一样。


天文学上有个概念叫做洛希极限:当卫星靠近行星、行星靠近恒星达到这个距离极限时,它们受到的潮汐引力将会导致它们无法维持当前形状,导致解体,这跟二者的密度、引力等相关。


地球对月球的洛希极限为大约9500千米,月球(38万千米之外)是根本不可能被解体的。而火星对它两颗卫星的洛希极限为大约为5470千米,这意味着按照现在的趋势在大约760万年后火卫一将突破洛希极限而解体。

土星环的前身,也许就是一堆在突破洛希极限后被撕碎的卫星们。。


这些解体后的卫星碎片并不会立即落向火星,它们会形成一个美丽的碎片环,如同土星数十万千米的环一样。由于土星周边卫星主要成分各不相同,既有岩石质地的刚体,又有以冰为主的冰冻星球,不同物质的洛希极限不尽相同,结果就是它们在亿万年内被撕碎后形成了风采各异的土星环,成为太阳系最壮观的景象之一。


同时,被行星影响较大的卫星还会出现一个现象叫做潮汐锁定。当卫星围绕行星运动时,它的一侧总会被引力吸引而倾向于"长高",而长高的这部分也在参与卫星本身的自转。如果自转比公转慢,这个自转长高的部分就起到了自转加速器的作用;如果自转比公转快,则起到了自转刹车片的作用。久而久之,就会形成独特的卫星自转和公转完全相同的现象。


在这种情况下,如果卫星被潮汐锁定,它们自己转一圈的同时也围绕行星转了一圈,这就导致在行星上永远只能看到卫星的一面。这就好比你小时候围绕小伙伴转圈时(公转)一直把拿着礼物的手放在背后(自转),小伙伴就只能一直看你正面而看不到你背后的手了。

由于潮汐锁定的结果,人类永远只能看到月球的这一面 ©NASA


人类身边最经典的例子就是月球,它早已在亿万年前被潮汐锁定,我们永远只能看到月球的一面。土星和木星的引力巨大,它们的很多卫星也被潮汐锁定了。


从理论上讲潮汐锁定是相互的,比如月球也在逐渐拉长地球的自转时间,使它最终倾向于等于围绕月亮的公转时间(一个月)。但由于月球引力过小,这种影响实在微乎其微,每100年的影响才导致地球上的一天延长了1.8毫秒。


你如果住在火星上,在一天之内能看到2次火卫一东升西落,但无论什么时候都只能看到它的其中一面,是不是也会联想它的背面到底是什么?就像我们看月球。


同时,由于火卫一距离火星很近,影子几乎总能投射到火星上,因此你也能很容易看到日全食(在卫星的影子里看太阳)。不过由于影子太小且运动速度太快,基本上3秒钟日全食就结束了。


而且总有一天,它会在你眼前逐渐解体成一个大环围绕火星运动。但那一点都不好看,因为总有时不时的高空坠物砸向地表。


但那不是流星雨,那是陨石撞击的灾难。




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这是本专栏《下一站火星》写作计划的第十篇,往期内容:

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来源:知乎 www.zhihu.com
作者:太空精酿

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