太空之谜：为什么没有气态卫星？

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原作：Keith Cooper

翻译：丁泽杨

校译：陈玮菁

编排：赵书晨

后台：李子琦

原文链接：https://www.space.com/space-mysteries-why-no-gas-moons

我们有岩石卫星、海洋卫星和冰卫星，但为什么没有气态卫星呢？

作者：基思·库珀 (Keith Cooper)

艺术家描绘开普勒-1625 b-i，以及其所绕行的行星和恒星系统中心的恒星。（图像来源：美国国家航空航天局、欧洲空间局和L.赫斯塔克语(STScI)。）

卫星：具有多种形态

在我们的太阳系中，有岩石卫星（例如月球）、海洋卫星（例如木卫二和土卫二）和冰冻卫星（例如海卫一），但是却没有气态卫星。这是因为我们不幸没有任何气态卫星，还是因为存在物理原因导致它们无法存在呢？

其实，宇宙中存在着气体卫星！虽然它们并不在我们的太阳系内。虽然已经发现了5500多颗系外行星，但只有两颗可能是系外行星，而且都还没有被100%证实。这两个系外行星的特别之处在于，它们是气态巨行星，绕着更大的气态巨行星旋转！然而，正如我们将要看到的，它们可能是那个例外。

要理解为什么我们的太阳系中没有气体卫星，最好先了解气体巨行星是如何形成的。

气态巨行星的形成有两种情况，一种是自下而上的形成模式，另一种是自上而下的形成模式。

自下而上，或者说“核心积聚”，是指我们太阳系中的气体巨行星是如何形成的过程。如果我们能回溯到45亿年前，我们将目睹一个年轻的太阳被一个气体和尘埃盘所包围。这个盘子是所有行星形成的原始盘。首先，它们积累为岩石体，随着灰尘、卵石和小行星的聚集而生长。有些只长到火星或金星那么大，但还有一些不断生长，形成了质量高达木星10倍的巨大岩石体。

一旦他们获得了这个巨大的物质，他们的引力就足够强，可以开始清除原行星盘上的大片气体。他们究竟抢夺了多少气体，增长了多少，这取决于他们的引力和可用的气体量。

最终，我们的太阳系保留了四颗气态巨行星，它们是木星、土星、天王星和海王星。NASA的“朱诺”号木星任务通过探测木星中心一个大型岩石的引力，该岩石的质量大约是地球的十倍，但仍在扩散，从而找到了支持核心吸积模型的证据。

太阳系中的行星是在原行星盘中自下而上的核心吸积过程中形成的。（图片来源：NASA/熔断器/丽奈特·库克）

从上而下形成气态世界

在自上而下的模型中，气态行星是直接由星云中坍塌的气体形成的，就像恒星一样。然而，这个过程所产生的质量是最小的。

当一团气体在自身重力作用下收缩时，它会升温，因为气体被填充到越来越小、越来越密集的体积中。但是，气体变暖后会想膨胀，为了保持收缩，气团必须释放多余的热量。因此，我们经常看到塌陷的气体云在热红外能量的照射下发光。

然而，存在一个约束因素，即“碎片不透明度的限制”。

欧洲航天局的萨姆·皮尔逊在接受采访时表示，当物体坍缩时会辐射出大量热量，这样气体就可以冷却下来。但是，这一过程的效率会受到尘埃的不透明度、温度和密度的影响。对于较小的物体，效率会大大降低，直到其质量达到木星质量的3倍左右时，它无法继续辐射出足够的热量以继续坍缩。

体积越小，尘埃越容易聚集和变得不透明，同时将引力收缩时产生的过量热量辐射掉的过程变得越来越低效。因此，在自上而下的形成过程中，无法形成小于3个木星质量的天体。

为什么太阳系没有气态卫星？

和它们的母星一样，太阳系中的大多数卫星都是通过自下而上的核心吸积过程形成的。这些过程是由剩余物质构成的圆盘引起的，这些物质环绕着它们的母星。由于行星已经扫描了大部分可用的物质，只剩下不足以形成一个质量足够大的卫星，以便有足够的引力来容纳大量的气体。实际上，太阳系中只有土星最大的卫星泰坦（土卫六）有大气层。

同样，自上而下的过程也不可能发生，因为没有足够的剩余气体。即使在至少3个木星质量的情况下，它也不会成为太阳系中最大的行星。

土卫六是土星的卫星，是太阳系中唯一拥有大气层的卫星。（图片来源：NASA/JPL-加州理工学院/亚利桑那大学）

神秘的卫星

因此，我们无法使用传统的两种方法来制造气体卫星。不过，在太阳系中有一些奇特的地方，它们以不同的方式形成了气体卫星。

就地球而言，月球可能是在与火星大小的原行星发生巨大碰撞后，由地球上爆炸的物质形成的。这些碎片形成了一个环，通过核心吸积建造了月球。那么，如果气态巨行星发生撞击，是否也会喷射出足够的气体来形成气体卫星呢？

很遗憾没有发生这样的事情。不过，岩石行星确实可能会发生这种撞击。您还记得1994年Shoemaker-Levy 9彗星撞击木星的情景吗？加州理工学院的杰西·克里斯蒂安森(Jessie Christiansen)在接受Space.com采访时表示：“气态巨行星什么都能吞噬。”

与气态巨行星相撞的任何物体都只会被其包围并融入其中，而不会将碎片喷射到太空中。

还有一件奇怪的事情就是捕获的卫星。例如，火星的两颗卫星火卫一和火卫二就是被捕获的小行星。土星最外面的卫星菲比是一个被捕获的彗星物体，海王星的卫星Triton是一个被捕获的柯伊伯带天体。它们并不是围绕行星形成的，而是在太空中自行形成，后来靠近行星并被其引力所捕获。

这里引出了一个问题，即一颗较小的气态行星是否可能被一颗更大的气态行星捕获？毕竟，气态行星的质量可以达到木星质量的十几倍，因此原则上它们可以很容易地用海王星的质量来捕捉气态行星。

看来，他们确实有可能成功！克里斯蒂安森说：“在巨型系外行星周围可能存在和海王星一样大小的卫星。

这篇文章开头提到的两个候选系外行星——开普勒1625 b-i和开普勒1708 b-i本身都是气态巨行星，但对于更大的气态巨行星来说，它们似乎是卫星。

克里斯蒂安森说：“我要强调，这两个都是候选体。我们在数据中发现了与月球相似的特征，但也有其他因素可以解释这一点。

假设它是一颗真正的卫星，那么开普勒1625 b-i的质量是地球的19倍（约占木星质量的6%），使它的质量与海王星相似。它围绕着一颗气态行星运行，该行星的质量是地球的30倍，直径是木星的一半。

开普勒1708 b-i的质量甚至更大，约为地球质量的37倍，它绕着一颗巨大的行星运行，该行星的质量是木星的4.6倍。

艺术家描绘了环绕开普勒1708 b运行的行星，让我们一起欣赏。（图片来源：Helena Valenzuela Widerström）

“他们挑战了很多理论，”克里斯蒂安森说。“他们这样形成的方式很难想象，所以他们一定是被捕获了。”

原则上，被捕获的物体会与我们太阳系中的卫星相似。它们会像行星一样形成，先由圆盘中的核心吸积，然后因向恒星迁移而被捕获。

在年轻的行星系统中，迁移似乎是一个普遍的过程。这也是天文学家解释“热木星”存在的原因。热木星是一种运行轨道非常接近恒星的气体巨星，但它们可能不会在靠近恒星的位置形成。在外星行星开普勒1625 b-i和1708 b-i的情况下，它们在迁移过程中被更大的行星所捕捉，因此出现在它们的前面。

然而，尽管如此，它们恐怕并非真正的月亮！相反，它们可能只是双行星的一个例子，而不是系外卫星。双行星是指两个行星围绕它们之间的共同质心运行，而不是一个围绕另一个轨道运行。在我们自己的太阳系中，就有一颗双行星，它伪装成冥王星和它最大的伴星沙龙。

因此，即使存在气体卫星，从某种程度上来说——但是要制造它们，大自然必须采取欺骗手段！

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

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