地球，最多能拥有几个“月亮”？

維健廣律

地球，是人类已知宇宙中唯一存在生命的天体，而月球是地球唯一的天然卫星。

根据天文学家观测的结果，地球现有一颗天然卫星，火星有两颗，水星和金星则没有，而太阳系的一些其他巨行星，比如木星和土星，天然卫星的数量却高达几十颗。

脑洞一下：地球最多可以拥有几个“月亮”？

或者说，像地球这样的行星，最多可以拥有几颗“月亮”般大小的天然卫星呢？

针对以上问题，一项由 3 名物理学家共同完成的新研究给出了答案：3-7 颗。

而具体数量，取决于天然卫星的质量。



图｜三颗“月亮”质量的卫星围绕地球运行的示意图。行星和卫星的大小是按比例计算的，卫星被限制在稳定边界之间。

相关研究论文以“Moon-packing around an Earth-mass planet”为题，已发表在预印本网站 arXiv 上。德克萨斯大学阿灵顿分校（UTA）兼职助理教授 Suman Satyal 为论文的第一作者。

Satyal 说：“太阳系的大多数行星都有多个卫星。”“值得注意的是，像木星和土星这样的巨型行星拥有大约 80 颗卫星。但在岩质行星中，火星有两个卫星，地球有一个卫星。这些差异可能与不同的形成机制和轨道演化过程有关。”

在此次工作中，研究团队使用了一系列 N 体（N-body）模拟（近似于粒子运动），来试图量化地球或与地球质量相当的系外行星在其轨道上可以承载多少颗卫星。

研究团队将多颗卫星的 N 体模拟设置在轨道体的内部（洛希半径，Roche radius）和外部（希尔半径，Hill radius）稳定极限之间。

从理论上讲，如果一颗卫星在洛希半径内运行，它就会被宿主行星的潮汐力分解；如果它在希尔半径外运行，它就会逃脱宿主行星的重力场。

Satyal 说：“然而，数值研究表明，实际的稳定性极限在洛希的两倍以内，约为希尔半径的一半。”“因此，我们开始在这些减少的边界限制之间模拟多个卫星（最多 9 个），并检查其中有多少能‘存活’到模拟时间结束。”



图｜Suman Satyal、Marialis Rosario-Franco 和 Billy Quarles。

研究团队使用与谷神星、冥王星和月亮质量相同的卫星作为原型质量来计算轨道稳定性约束。他们发现，有 3 颗月亮质量的卫星，4 颗冥王星质量的卫星，以及 7 颗谷神星质量的卫星可以围绕一颗地球质量的系外行星运行。

“我们的模型忽略了太阳系内所有其他行星的引力效应。”“当放眼太阳系之外时，这一点很重要，因为有很多系统只有一颗候选行星。目前有两个候选系外卫星（exomoon），但它们都以一个天文单位（约 1.5 亿公里或 9300 万英里）的距离围绕类木星行星运行。” Billy Quarles 是论文的作者之一，现为瓦尔多斯塔州立大学（Valdosta State University）天文学和物理学助理教授。

尽管大约有 5000 颗已知的系外行星有可能承载着数十颗系外卫星，但迄今为止还没有发现过被证实的系外卫星。Satyal 认为，这种不被发现的观测还有其他的约束和限制。

Satyal 认为，他们的研究成果对未来的宇宙观测具有重要意义，“因为它限制了类地卫星在各自宜居带的存在。”

同时，随着望远镜灵敏度的提高，比如最近发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），我们也许能够应用凌日法（测量星光的深度）来探测系外卫星。由于像地球这样的岩质行星有可能拥有一个以上的卫星，这就增加了它们被发现的可能性。

另外，随着在类地行星周围寻找系外卫星的研究继续进行，这一研究或为科学家们预测某一行星拥有多少颗卫星提供上限。

此外，这一研究可能对科幻电影和其他媒体中对系外卫星的描述具有文化意义。

“当我们进行调查时，我看了《星门》（Stargate），注意到研究小组前往的银河系外行星有三个卫星。”“许多电影都阐述了系外卫星的可能性，比如《阿凡达》（Avatar）中的潘多拉，《星球大战》（Star Wars）中的森林卫星恩多。我们的研究可以帮助未来的工作在天文学上显得更加准确。” Quarles 说。

参考链接：
https://arxiv.org/abs/2208.03604