太空之謎：為什么沒(méi)有氣體衛(wèi)星？ _太空

這位藝術(shù)家的印象描繪了系外衛(wèi)星候選人開普勒-1625b-i，它正在繞軌道運(yùn)行的行星和恒星系統(tǒng)中心的恒星。(圖片來(lái)源:美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐空局和l .胡斯塔克(STScI))
據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)（基思·庫(kù)珀）：衛(wèi)星有多種形式。
在我們的太陽(yáng)系中，我們有巖石衛(wèi)星(如地球的月亮)，海洋衛(wèi)星(如木衛(wèi)二和土衛(wèi)二)和冰凍衛(wèi)星(如海衛(wèi)一)，但沒(méi)有氣體衛(wèi)星。我們只是運(yùn)氣不好沒(méi)有氣體衛(wèi)星，還是有物理上的原因它們不能存在？
其實(shí)還有氣體衛(wèi)星！雖然它們不在我們的太陽(yáng)系里。盡管迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5500多顆系外行星，但只發(fā)現(xiàn)了兩顆可能的系外衛(wèi)星，而且都沒(méi)有得到100%的確認(rèn) 。這兩個(gè)“系外衛(wèi)星”的怪異之處在于它們是氣態(tài)巨行星，圍繞著更大的氣態(tài)巨行星運(yùn)行！然而，正如我們將要看到的，它們是證明這一規(guī)律的例外。
為了理解為什么沒(méi)有氣體衛(wèi)星，至少在我們的太陽(yáng)系中，最好首先理解氣體巨行星是如何形成的。
氣態(tài)巨行星的形成有兩種情況。一種被稱為“自下而上”的形成，另一種是“自上而下” 。
自下而上形成氣體世界
自下而上，或“核心吸積”，形成了我們太陽(yáng)系的氣態(tài)巨行星。如果我們能回到45億年前，我們將會(huì)看到年輕的太陽(yáng)被一個(gè)由氣體和塵埃組成的圓盤所包圍。這是所有行星形成的原行星盤。首先，它們以巖石體的形式增生，隨著聚集灰塵、鵝卵石和小行星而增長(zhǎng) 。一些只增長(zhǎng)到火星或金星那么大，但另一些繼續(xù)增長(zhǎng)，形成質(zhì)量高達(dá)木星10倍的巨大巖石體。
一旦它們變得如此巨大，它們就擁有足夠強(qiáng)大的引力，開始從原行星盤中清掃出大片氣體。確切地說(shuō) ，它們掠奪了多少天然氣，它們?cè)鲩L(zhǎng)了多少，這取決于它們的重力和有多少天然氣可用。
但最終，我們的太陽(yáng)系只剩下四顆氣態(tài)巨行星——木星和土星，以及更冷的“冰巨人”天王星和海王星。美國(guó)國(guó)家航空航天局的朱諾木星任務(wù)通過(guò)檢測(cè)木星中心一個(gè)巨大、多巖石但分散的核心的重力，幫助找到了支持核心吸積模型的證據(jù)，該核心的質(zhì)量大約是地球的十倍。

太陽(yáng)系的行星在自下而上的核心吸積過(guò)程中形成于原行星盤中。(圖片鳴謝:美國(guó)國(guó)家航空航天局/福斯/勒奈特·庫(kù)克)
自上而下形成氣體世界
在自上而下的模型中，氣體世界直接由星云中的氣體團(tuán)坍縮而成，就像恒星一樣。然而，這個(gè)過(guò)程能產(chǎn)生的質(zhì)量是最小的。
當(dāng)一大團(tuán)氣體在自身重力的作用下收縮時(shí)，它會(huì)變熱，因?yàn)闅怏w被壓縮成越來(lái)越小、密度越來(lái)越大的體積。但是當(dāng)氣體變暖時(shí) ，它會(huì)膨脹，所以為了保持收縮，氣體團(tuán)必須散發(fā)多余的熱量。因此，我們經(jīng)常看到坍縮的氣體云在熱紅外能量的照射下發(fā)光。
然而，有一個(gè)約束因素叫做“碎片的不透明度限制” 。
歐洲航天局(European Space Agency)的薩姆·皮爾森(Sam Pearson)在一次采訪中表示:“輻射出足夠的熱量，使氣體冷卻下來(lái)，并仍然坍縮，這取決于塵埃的不透明度、溫度和密度，對(duì)于較小的物體，這一過(guò)程的效率會(huì)變得低得多，以至于在大約3個(gè)木星質(zhì)量的情況下，它無(wú)法輻射出足夠的熱量來(lái)保持坍縮。”
體積越?。景＞捅淶迷郊瀉筒煌該鰨?輻射重力收縮多余熱量的過(guò)程變得越來(lái)越低效。所以在自上而下的過(guò)程中不可能形成小于3個(gè)木星質(zhì)量的東西。
為什么太陽(yáng)系沒(méi)有氣體衛(wèi)星
像它們的母星一樣，我們太陽(yáng)系的大多數(shù)衛(wèi)星都是通過(guò)環(huán)繞母星的剩余物質(zhì)圓盤中自下而上的核心吸積過(guò)程形成的。因?yàn)樾行且呀?jīng)席卷了大部分可用的物質(zhì)，只剩下不足以形成一個(gè)大到足以擁有足夠引力來(lái)容納大量氣體的衛(wèi)星。事實(shí)上，太陽(yáng)系中只有一顆衛(wèi)星有大氣層，那就是土星最大的衛(wèi)星土衛(wèi)六。
同樣，自上而下的過(guò)程不可能發(fā)生，因?yàn)闆](méi)有足夠的剩余氣體，如果發(fā)生了，至少是木星質(zhì)量的3倍，它將是太陽(yáng)系中最大的世界。

土星的衛(wèi)星泰坦，太陽(yáng)系中唯一有大氣層的衛(wèi)星。(圖片來(lái)源:美國(guó)國(guó)家航空航天局大學(xué)/JPL加州理工學(xué)院/亞利桑那大學(xué))
奇怪的月亮
所以，我們不能通過(guò)兩種最傳統(tǒng)的產(chǎn)生氣體世界的過(guò)程來(lái)形成氣體衛(wèi)星。然而，太陽(yáng)系中有幾個(gè)奇怪的東西是以不同的方式形成的。
就地球而言，月球可能是由地球與一顆火星大小的原行星發(fā)生巨大碰撞后爆炸的物質(zhì)形成的。這些碎片形成了一個(gè)環(huán)，通過(guò)核心吸積形成了地球的月亮。對(duì)一顆氣態(tài)巨行星的撞擊會(huì)噴射出足夠的氣體形成一顆氣態(tài)衛(wèi)星嗎？
可惜沒(méi)有。“巖石行星可能會(huì)有這樣的影響，但還記得舒梅克-利維9號(hào)彗星(1994年)撞擊木星的時(shí)候嗎？加州理工學(xué)院的杰西·克里斯蒂安森在接受Space.com采訪時(shí)說(shuō) 。“氣態(tài)巨行星什么都吃。”
任何與氣體巨星碰撞的東西都只是被氣體巨星包容，成為它的一部分，而不是向太空噴射碎片。
另一個(gè)奇怪的現(xiàn)象是捕獲的衛(wèi)星。例如，火星的兩個(gè)衛(wèi)星火衛(wèi)一和戴莫斯是被捕獲的小行星。土星最外層的衛(wèi)星菲比是捕獲的彗星物體，海王星的衛(wèi)星海衛(wèi)一是捕獲的柯伊伯帶物體。它們不是圍繞一顆行星形成的，而是在太空中自行形成的，后來(lái)游蕩得太近，被一顆行星的引力抓住了。
這就引出了一個(gè)問(wèn)題，一顆較小的氣態(tài)行星會(huì)被一顆較大的氣態(tài)行星捕獲嗎？畢竟，氣體世界的質(zhì)量可以達(dá)到木星的十幾倍，所以原則上它們可以很容易地捕獲一個(gè)氣體世界，比如說(shuō)海王星的質(zhì)量。
氣體系外衛(wèi)星
看來(lái)他們的確可以！“可能在巨大的系外行星周圍有海王星大小的衛(wèi)星，”克里斯蒂安森說(shuō) 。
本文開頭提到的兩個(gè)候選系外衛(wèi)星——開普勒1625b-i和開普勒1708 b-I——本身都是氣態(tài)巨行星，但它們似乎是更大氣態(tài)巨行星的衛(wèi)星。
克里斯蒂安森說(shuō):“我要強(qiáng)調(diào)的是，這兩個(gè)人都是候選人。“我們?cè)跀?shù)據(jù)中看到了一些與月球相符的東西，但也有其他東西可以解釋它。”
假設(shè)它是一顆真實(shí)的月球，那么開普勒1625b-i的質(zhì)量是地球的19倍(約為木星質(zhì)量的6%)，與海王星質(zhì)量相近，并且伴隨著一顆質(zhì)量是地球30倍、直徑是木星一半的氣態(tài)行星。
開普勒1708b-i甚至更重，重量約為地球的37倍，圍繞一顆比木星大4.6倍的巨行星運(yùn)行。

藝術(shù)家描繪了一顆圍繞系外行星開普勒1708 b運(yùn)行的系外衛(wèi)星
“他們挑戰(zhàn)了很多理論，”克里斯蒂安森說(shuō) 。“很難想出它們形成那樣的方式，所以它們一定是被俘虜了。”
原則上，被捕獲的物體會(huì)使它們與我們太陽(yáng)系中被捕獲的衛(wèi)星相似。它們會(huì)像行星一樣從圓盤的核心吸積中形成，然后因?yàn)橄蛩鼈兊暮阈沁w移而被捕獲。
在年輕的行星系統(tǒng)中，遷移似乎是一個(gè)常見(jiàn)的過(guò)程。這就是天文學(xué)家解釋“熱木星”的方式，熱木星是距離恒星非常近的氣態(tài)巨行星，但不可能形成得那么近。在系外衛(wèi)星開普勒1625b-i和1708b-i的例子中，當(dāng)它們遷移進(jìn)來(lái)時(shí)，被位于它們前面的更大的行星捕獲。
然而，盡管如此，它們很可能不是真正的衛(wèi)星！相反，它們可能都是雙行星而不是系外衛(wèi)星的例子。雙行星是指兩個(gè)世界都圍繞它們之間的一個(gè)共同質(zhì)量中心運(yùn)行，而不是一個(gè)圍繞另一個(gè)運(yùn)行。在我們的太陽(yáng)系中有一顆雙行星，偽裝成冥王星和它最大的同伴卡戎。
所以，在某種程度上，有氣體衛(wèi)星——但是要制造它們，自然必須作弊！