法国天文学家洛希。
听起来很有意思,也似乎很科幻。然而,洛希并不是一个科学幻想家,而是一个数学功底极强的天文学家,他立马想到要计算一下,究竟一颗卫星要离母星多近,才会被母星撕裂呢?他还真算出来了,这个距离被称为“洛希极限”。
看看下面一系列的图,你会更加清晰。
当子星远离母星的洛希极限(白线)时,形状还能保持球体。
靠近洛希极限,因引潮力而变形,被拉长。
进入洛希极限,子星被撕碎。
较接近母星的碎片先散开。
最终成环。
洛希极限具体的计算过程需要用到公式,会降低阅读量,我们就不再重复了,有高中物理知识的人都可以动动手,不是太难的物理题。
结论如下:
d是洛希极限,R是母星半径,ρM是母星密度,ρm是子星密度。
上面的公式是针对一个完全刚体的子星,洛希也考虑到另一种情况,那就是流体的子星,比如一颗完全由水构成的星球,它们将遵循下面的公式:
由于有黏度、摩擦力和化学作用等影响,大部分卫星都不是完全的流体或刚体,因此实际的洛希极限都在这两个界限之间。
这两个公式里都能看出,母星质量越大,洛希极限越大,而子星的密度越大,洛希极限越小。可见洛希极限并不是一个确定的数值,而是跟围绕母星的物质的自身密度相关。所以啊,打铁还需自身硬,当一个绝对刚体子星的密度是母星的2倍时,可以计算出洛希极限小于母星半径,也就是说这个子星永远不会被母星撕裂,除非它自己撞上去。而如果是一颗完全流体的子星,这个数字就必须增加到14.2倍。
一般来说,巨大的气体行星(如木星、土星)密度比水还低,比如土星的密度只有0.687克/立方厘米(后面的密度均按照这个单位),已经观测到的土星卫星就有211颗,它们几乎都是密度较大的固体卫星。嗯嗯,这很科学!
太阳系中较大卫星和地球的对比,它们几乎都是固体星球。
而地球这种类地行星的密度较大,比如地球的平均密度有5.5,想要不被地球撕裂,即使这颗卫星是绝对刚体,它的密度也足足要达到11,这已经接近铅的密度了。月球的密度只有3.3,可以算出它相对地球的洛希极限在9500km(刚体)-18300km(流体),而月地距离足足有384400km,因此月球好好的,我们绝对不会看到这面皎洁的玉盘突然碎裂。
如果想看到如此壮观的景象,那就需要把月球搬到离地球约5000km的位置,那样我们眼中的月球将是现在的4000多倍大小(面积)。这不是美如画境的科学幻想,而是前所未有的终极灾难,硕大的玉盘顷刻之间便会分崩离析,由于月球在太阳系里算是卫星界的大块头,它的崩盘虽然会给地球带来一个美丽的光环,然而它崩裂出来的岩石会飞舞到四面八方,无数的陨石拷问地球的表面,人类文明将毁于一旦。
老婆快出来看月亮啊!
彗星的平均密度只有0.5,只有水的一半,它们的洛希极限就大得多,根据计算,彗星相对地球的洛希极限在17900km(刚体)-34400km(流体),如果真的有一颗彗星撞击地球,那么在20000多公里的高空它就要开始解体了。地球受到的并非“一击致命”,而是被撕裂的碎片“地毯式轰炸”。
彗星撞地球之前,会先被地球的引潮力扯碎。
1993年3月24日,美国天文学家苏梅克夫妇及天文爱好者利维一起发现了一枚彗星,并推算出1年多以后即将撞上木星。实际上他们看到的是这颗彗星在木星强大引力作用下的残骸,电脑推算运行轨道的结果显示,它几个月前在距木星表面4万公里处被木星的潮汐力撕碎为21个小碎块。1994年7月,人类通过望远镜目睹了这场彗星撞木星的天文奇观。
1994年5月份的苏梅克-列维慧星,已经被撕碎成碎片。
实拍苏梅克-列维慧星撞击木星。
有人说:“慢!你说洛希极限,我掐指一算,人的密度大约是1,我们站在地面上拉拉扯扯,显然在地球的洛希极限之内,为什么我们没有被撕裂呢?”
敲黑板啦!没看到洛希早就挖好了这个坑等你吗?洛希在一开始就“假设卫星等小星体都是由万有引力而凝聚成团”,至于你的身体,骨骼、肌肉、血管什么的,那都是由电磁相互作用结合起来的高分子啊,电磁力可比引力作用大无数倍啦!
所以,即使彗星、小行星、卫星什么的被行星撕裂以后,其中完整的矿石晶体也不会被摧毁,而只是变成大小不一碎片,千万不要以为它们就此粉身碎骨成原子啦。
艺术家绘制的土星环想象图,冰冷的微粒聚集成环的固体部分,最大的颗粒约有几米的直径。
洛希极限提出以后得到了大量观测事实的证明,太阳系内木星、土星、天王星、海王星四大巨行星都有光环,而这些光环都位于洛希极限以内,可见土星光环理论的成功。而大部分卫星都位于洛希极限以外,可见洛希极限对卫星来说就是一道死线,洛希极限内部就是它们的坟墓,现在我们看到的大部分卫星都是从太阳系诞生之初历经考验的幸存者。
太阳系里的卫星,且行且珍惜。
为什么强调“大部分”,因为还是有几个例外,比如木卫十六,虽然大于刚体洛希极限,却只有流体洛希极限的93%,看来它显然不是绝对流体,有一定的塑性。
而土卫十八更有意思,轨道半径只有流体洛希极限的85%,而且它的轨道就在土星环的内部。如果你仔细观察土星环,会发现它并不是“平板一块”,而是有很多的细缝,其中最大的是卡西尼缝和恩克环缝,土卫十八就在恩克环缝里“行走”。
土卫十八在土星环的缝中运行。
天文学家把土卫十八比喻成一只“牧羊犬”,帮助维持着土星环的“秩序”。环里如果有哪只羊(sui)羔(pian)跑偏了,土卫十八就会把它拉回来或者干脆“清除”掉。类似土卫十八这样在行星环中或者附近运行的卫星就叫做“牧羊犬卫星”,土卫十八也因而得名“潘”,得名于古希腊神话中的牧神。
潘神有人的躯干和头,山羊的腿、角和耳朵。他喜欢吹排箫,据说可以催眠。
另一个有意思的问题是火星卫星。
火星有两颗卫星——火卫一福波斯和火卫二德莫斯,其中火卫一的轨道半径只有流体洛希极限的89%,仅需7小时39分钟便环绕火星一周。有人预测,火卫一会因为火星引力的原因而逐渐靠近火星,大约760万年后火卫一将突破洛希极限而解体,火星会因此而多出一个美丽的火星环,戴上一顶帽子。
你看,拉拉扯扯真的会出大事的!
火星以后也要戴帽子了。