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衛(wèi)星為何不會相撞?共振讓天體之間存在牽絆

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)星在運行過程中不會相撞嗎?

事實上,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”。但實際上并非如此。

NASA噴氣推進實驗室太陽系動力學(xué)專家瑪麗娜·布羅佐維奇領(lǐng)銜的研究團隊發(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”。

研究人員認為,即使以太陽系外圍的標準來衡量,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,如果總是在鐵球達到最高點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,但共振機制無疑為避免相撞又提供了一種額外的保護機制。

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記者,其中最常見、人們研究最多的是兩體共振中的平運動共振。

當行星、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,我們就認為這些天體之間存在平運動共振現(xiàn)象。平運動共振又可細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,因為天體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)定運動,“很奇特,就像是被人特意放進去的一樣。”周禮勇說。

關(guān)鍵詞: 衛(wèi)星 相撞 共振