為什么土星有環(huán)，火星沒有？其實(shí)火星曾經(jīng)有環(huán)，以后還會(huì)有
很多人都知道，火星有兩顆衛(wèi)星，分別為火衛(wèi)一（Phobos）與火衛(wèi)二（Deimos）。最近，一項(xiàng)新研究提出：火星衛(wèi)星并非一次性形成后就不再變化，而是在環(huán)與衛(wèi)星狀態(tài)之間循環(huán)轉(zhuǎn)變。這次，我們就介紹這個(gè)有趣的模型，以及此前就已被提出的相關(guān)模型。
撰文 王善欽（加州大學(xué)伯克利分校天文系）
編輯 丁家琦
賽先生“中小學(xué)生評(píng)審”林彧正為本文提出了修訂意見，同時(shí)撰寫了點(diǎn)評(píng)。
題圖：火星環(huán)的藝術(shù)想象圖（來源：Tushar Mittal）
小黑板
行星環(huán)：一些行星周圍存在有大量細(xì)碎的物質(zhì)塊與顆粒匯集成環(huán)的形狀，環(huán)繞著行星，這就是行星環(huán)，它們像無數(shù)衛(wèi)星的天然衛(wèi)星一樣，集體繞著行星運(yùn)轉(zhuǎn)，并保持環(huán)的形狀。
洛希極限：當(dāng)一個(gè)天體圍繞另一個(gè)天體運(yùn)動(dòng)時(shí)，與后者中心的距離小到足以被后者撕碎時(shí)，這個(gè)距離就被稱為“洛希極限”。18世紀(jì)中葉，法國天文學(xué)家洛希首先研究了這個(gè)問題，因此以洛希來命名這個(gè)極限。有些理論認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)衛(wèi)星進(jìn)入行星的洛希極限后，就會(huì)被撕碎為行星環(huán)。
太陽系中以環(huán)而馳名的星球是土星，木星、天王星與海王星也有環(huán)，這四個(gè)行星都是太陽系中的氣態(tài)巨行星。太陽系中另外四個(gè)大行星（水星、金星、地球、火星）都是固態(tài)行星，它們都沒有環(huán)。
不過，如果有人告訴你火星以前也有環(huán)，你可能會(huì)大吃一驚；如果有人告訴你火星的環(huán)在過去幾十億年多次變?yōu)樾l(wèi)星又變?yōu)榄h(huán)，現(xiàn)在的衛(wèi)星——火衛(wèi)一（Phobos）與火衛(wèi)二（Deimos）——在將來還會(huì)變?yōu)榄h(huán)，你會(huì)更加驚奇。
那么，憑什么說火星以前也有環(huán)呢？這個(gè)環(huán)怎么來的？它是如何與衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互相轉(zhuǎn)變的？故事要先從火星現(xiàn)在的兩顆衛(wèi)星說起。
火星的兩個(gè)衛(wèi)星
火星的兩個(gè)衛(wèi)星都很小，且形狀不規(guī)則?；鹦l(wèi)一的平均半徑只有11.3千米，質(zhì)量是月球的1000萬分之一。火衛(wèi)一的軌道半徑（精確說，是半長軸）為9376千米，是火星半徑的2.76倍。
火衛(wèi)二更小，其與三環(huán)內(nèi)的北京城差不多大。平均半徑只有6.2千米，質(zhì)量僅為火衛(wèi)一的七分之一?；鹦l(wèi)二的軌道半徑為23463千米，是火星半徑的6.92倍。
圖1. 火衛(wèi)一（左）與火衛(wèi)二（右）的近距離圖像（來源: NASA/JPL-Caltech/University of Arizona）。
圖2. 火衛(wèi)一、火衛(wèi)二與火星距離的示意圖（圖片來源：Magenta Green/CC BY-SA 3.0）
盡管火衛(wèi)一離火星很近，它的軌道半徑只有火星半徑的大約3倍（相比之下，月球的軌道半徑大約是地球半徑的60倍），但因?yàn)樗鼘?shí)在太小，使得火星上因?yàn)榛鹦l(wèi)一遮擋而導(dǎo)致的日食不可能為全食，而只能是偏食和環(huán)食，如圖3。由于火衛(wèi)二更小更遠(yuǎn)，因此它遮擋太陽導(dǎo)致的日食，其陰影比火衛(wèi)一遮擋時(shí)更是小得多。所以我們要感謝月球的大小如此恰當(dāng)、與地球的距離又如此恰當(dāng)，使得我們有機(jī)會(huì)看到日全食。
圖3. 好奇號(hào)火星車拍攝下的火星日食，遮擋者為火衛(wèi)一（來源：NASA）
火星衛(wèi)星的起源
對(duì)火星這兩顆衛(wèi)星的起源，此前人們長期以來爭論不休，有人認(rèn)為這兩顆衛(wèi)星是與火星同時(shí)形成的；有人認(rèn)為它們是火星俘獲來的；有人認(rèn)為是一顆較大的天體撞擊火星之后，散落到太空中的殘骸逐漸凝聚而成的。但前兩個(gè)模型都無法解釋火星衛(wèi)星系統(tǒng)的特征，最后一個(gè)模型雖然更加合理，但無法給出撞擊后形成衛(wèi)星的細(xì)節(jié)。
2016年6月，比利時(shí)皇家天文臺(tái)（Royal Observatory of Belgium）的Rosenblatt等人在《自然·地學(xué)》（Nature Geoscience）發(fā)表了一篇論文，他們用數(shù)值模擬給出了撞擊后形成衛(wèi)星的過程。
根據(jù)這個(gè)新的數(shù)值模擬，在火星形成后1億年到8億年之間，一個(gè)大小為火星三分之一的行星撞擊了火星。
圖4. 原行星撞擊火星的藝術(shù)想象圖。（來源：Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS）
大撞擊發(fā)生后，產(chǎn)生的一部分碎片被反彈到空中，形成環(huán)繞火星的環(huán)，其物質(zhì)分布很廣，直到火星赤道上空很遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。
根據(jù)環(huán)中物質(zhì)與火星的距離，新形成的環(huán)分為內(nèi)環(huán)、外環(huán)兩大部分，內(nèi)環(huán)更靠近火星，外環(huán)離火星相對(duì)遠(yuǎn)一些。內(nèi)環(huán)物質(zhì)的密度比較大，很快形成一個(gè)大的衛(wèi)星，其質(zhì)量是今天的火衛(wèi)一質(zhì)量的1000倍大；在這個(gè)新形成的大衛(wèi)星的引力作用下，外環(huán)區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)逐漸凝聚為大約十個(gè)小衛(wèi)星。
幾百萬年后，內(nèi)環(huán)形成的大衛(wèi)星落向火星，外環(huán)中形成的大部分小衛(wèi)星也落向火星，只剩下兩顆小衛(wèi)星，這兩個(gè)幸存者就是火衛(wèi)一與火衛(wèi)二。由于火衛(wèi)一與火衛(wèi)二是在低密度的外環(huán)中形成的，所以它們的密度比火星密度低。
圖5. 撞擊（上左）、形成環(huán)（上右）、形成大小衛(wèi)星（中左與中右）、大衛(wèi)星靠近火星（下左）、最后留下兩個(gè)小衛(wèi)星（下右）（來源：A. Trinh - Royal Observatory of Belgium）
在 Rosenblatt 等人的模型中，火衛(wèi)一與火衛(wèi)二在形成后就基本不再變化，保持至今。
“環(huán)-衛(wèi)星-環(huán)”的循環(huán)轉(zhuǎn)變過程
在Rosenblatt 等人的論文發(fā)表后不久，普渡大學(xué)西拉法葉分校（Purdue University，West Lafayette）物理與天文系的Hesselbrock與地球、大氣、行星科學(xué)系的Minton 進(jìn)行了新的數(shù)值模擬，論文于2017年3月20日發(fā)表于《自然·地學(xué)》。
Hesselbrock與Minton的新模擬表明，大撞擊之后形成的并不是持續(xù)存在到現(xiàn)在的火衛(wèi)一，而是火衛(wèi)一的遠(yuǎn)祖（“前身”），這個(gè)“火衛(wèi)一的遠(yuǎn)祖”在此后在環(huán)狀態(tài)與衛(wèi)星狀態(tài)之間多次循環(huán)轉(zhuǎn)變，直到變?yōu)楝F(xiàn)在的火衛(wèi)一。
在這個(gè)新模型中，大撞擊后被拋向空中的物質(zhì)環(huán)形成火衛(wèi)一的前身，然后火衛(wèi)一的前身慢慢靠近火星，但距離太近會(huì)造成災(zāi)難性的后果：天體周圍有個(gè)距離極限叫做洛希極限（Roche limit），如果兩個(gè)天體的距離過小，以至于其中一個(gè)天體處于這個(gè)洛希極限內(nèi)，那個(gè)天體就會(huì)被另一個(gè)天體撕碎，成為另一個(gè)天體的環(huán)。
根據(jù)Hesselbrock與Minton的模擬，幾十億年前，撞擊后形成的物質(zhì)環(huán)中產(chǎn)生了火衛(wèi)一的前身，隨后，火衛(wèi)一的前身首次進(jìn)入洛希極限內(nèi)，被撕裂為分布很廣的環(huán)。環(huán)中大約百分之八十的碎片處于洛希極限內(nèi)，這些碎片如雨點(diǎn)般掉落到地面，形成隕石雨，堆積在赤道附近；剩下的大約百分之二十的環(huán)物質(zhì)在洛希極限外，慢慢堆積成新的衛(wèi)星。因此，新的衛(wèi)星的質(zhì)量只有前身質(zhì)量的五分之一。
此后，新的衛(wèi)星再次進(jìn)入洛希極限、并再次被撕碎為環(huán)，然后位于洛希極限內(nèi)的大多數(shù)物質(zhì)又成為隕石雨，落到火星表面。剩下的位于洛希極限外的那部分碎片又凝聚形成新的衛(wèi)星。
Hesselbrock與Minton的新模擬表明，這個(gè)“環(huán)-衛(wèi)星-環(huán)……”的循環(huán)過程在過去43億年出現(xiàn)了三到七次，每次都有大量環(huán)物質(zhì)落到火星赤道附近，接著形成的衛(wèi)星都比之前小得多。經(jīng)過這么多次的“環(huán)-衛(wèi)星-環(huán)……”循環(huán)轉(zhuǎn)變之后，才形成現(xiàn)在看到的火衛(wèi)一，它比他的“遠(yuǎn)祖”可小得多了。
火衛(wèi)一的軌道半徑變化到一定大小時(shí)，就會(huì)與火衛(wèi)二軌道發(fā)生共振，這種共振會(huì)改變火衛(wèi)二軌道，但基本上不會(huì)對(duì)火衛(wèi)一軌道產(chǎn)生影響。
隕石雨與赤道堆積物
這個(gè)最新的模型，不僅可以像以前的模型那樣解釋火星北極的大盆地，還可以解釋火星赤道的多余沉積物。這些沉積物的厚度大約為幾千米。如果這些沉積物都掉落在火星赤道附近，就會(huì)使得赤道附近的松散堆積物的厚度達(dá)到2千米。以后人們可以發(fā)射新的火星車，研究這些堆積物，以檢驗(yàn)該模型的正確性。
火衛(wèi)一將來還會(huì)變成環(huán)
我們的月球以每年幾厘米的速度離開地球，太陽系中其他行星的衛(wèi)星大多也在遠(yuǎn)離對(duì)應(yīng)的行星。只有兩個(gè)衛(wèi)星在靠近自己所環(huán)繞的行星，一個(gè)是火衛(wèi)一，一個(gè)是海衛(wèi)一（Triton）。
由于火衛(wèi)一正在不斷靠近火星，因此可以預(yù)期，在未來的某個(gè)時(shí)刻，它將進(jìn)入火星的洛希極限，然后要么被撕裂，要么繼續(xù)靠近火星，直到撞上火星。
2015年，加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）地球與行星科學(xué)系的博士后Black與研究生Mittal根據(jù)數(shù)值模擬，得出結(jié)論：火衛(wèi)一在2000萬年到4000萬年后將被部分撕裂，其松散部分成為一個(gè)環(huán)，其質(zhì)量與現(xiàn)在的土星環(huán)差不多，其相對(duì)結(jié)實(shí)的部分將繼續(xù)靠近火星，直到最后撞擊火星。論文發(fā)表于《自然·地學(xué)》。
圖6. 火衛(wèi)一逐漸靠近火星，一部分在未來被撕裂為環(huán)，剩下部分最終撞到火星（來源：Benjamin A. Black & Tushar Mittal，Nature Geoscience）
對(duì)于未來火衛(wèi)一會(huì)變成環(huán)這個(gè)預(yù)言，上面提到的Hesselbrock與Minton的新論文也得到了類似的結(jié)論，但環(huán)形成的時(shí)間略有不同：他們認(rèn)為這件事發(fā)生的時(shí)間在7000萬年以后。
現(xiàn)在我們來總結(jié)一下以上幾個(gè)工作的主要結(jié)論與獨(dú)到之處：第一，火衛(wèi)一之前是環(huán)物質(zhì)，這在之前已被指出并被仔細(xì)研究過，但現(xiàn)在又有了進(jìn)一步的發(fā)展，Rosenblatt等人首次給出了環(huán)形成的具體過程。第二，Hesselbrock與Minton的新研究首次提出：火衛(wèi)一在形成之后到現(xiàn)在，經(jīng)歷了“環(huán)-衛(wèi)星-環(huán)……”的多次循環(huán)，而非之前人們認(rèn)為的那樣一成不變。第三，火衛(wèi)一在幾千萬年后還會(huì)變?yōu)榛鹦黔h(huán)，那時(shí)候的地球人會(huì)看到壯觀的火星環(huán)。
不久的將來，人類發(fā)射的火星車會(huì)對(duì)火星赤道堆積物展開研究。這些研究將檢驗(yàn)這些新研究是否正確。讓我們拭目以待吧！
附錄：
1、Rosenblatt等人的論文：
http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n8/full/ngeo2742.html
2、Hesselbrock與Minton的論文：
http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2916.html
3、Black與Mittal的論文：
http://www.nature.com/ngeo/journal/v8/n12/full/ngeo2583.html
賽先生青少年評(píng)審：
林彧正（16歲，高二學(xué)生，來自北京市十一學(xué)校）
簡介： 一個(gè)天文愛好者
點(diǎn)評(píng)：作者從火星的兩顆衛(wèi)星的大小、軌道和起源的理論引入了一系列關(guān)于火星衛(wèi)星的命運(yùn)的理論研究，其中最有趣的是“行星-環(huán)-行星”周期的理論。一個(gè)科學(xué)理論成功的關(guān)鍵不僅僅是解釋某個(gè)事實(shí)，更重要的是能夠預(yù)測一些現(xiàn)象。所以作者在最后提到了發(fā)射火星車來驗(yàn)證這些理論的構(gòu)想，體現(xiàn)出了理論通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)的重要性。
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