太空之谜：为什么没有气体卫星？

降法讲顾

这位艺术家的印象描绘了系外卫星候选人开普勒-1625b-i，它正在绕轨道运行的行星和恒星系统中心的恒星。(图片来源:美国国家航空航天局、欧空局和l .胡斯塔克(STScI))

（）据美国太空网（基思·库珀）：卫星有多种形式。

在我们的太阳系中，我们有岩石卫星(如地球的月亮)，海洋卫星(如木卫二和土卫二)和冰冻卫星(如海卫一)，但没有气体卫星。我们只是运气不好没有气体卫星，还是有物理上的原因它们不能存在？

其实还有气体卫星！虽然它们不在我们的太阳系里。尽管迄今为止已经发现了5500多颗系外行星，但只发现了两颗可能的系外卫星，而且都没有得到100%的确认。这两个“系外卫星”的怪异之处在于它们是气态巨行星，围绕着更大的气态巨行星运行！然而，正如我们将要看到的，它们是证明这一规律的例外。

为了理解为什么没有气体卫星，至少在我们的太阳系中，最好首先理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。一种被称为“自下而上”的形成，另一种是“自上而下”。

自下而上形成气体世界

自下而上，或“核心吸积”，形成了我们太阳系的气态巨行星。如果我们能回到45亿年前，我们将会看到年轻的太阳被一个由气体和尘埃组成的圆盘所包围。这是所有行星形成的原行星盘。首先，它们以岩石体的形式增生，随着聚集灰尘、鹅卵石和小行星而增长。一些只增长到火星或金星那么大，但另一些继续增长，形成质量高达木星10倍的巨大岩石体。

一旦它们变得如此巨大，它们就拥有足够强大的引力，开始从原行星盘中清扫出大片气体。确切地说，它们掠夺了多少天然气，它们增长了多少，这取决于它们的重力和有多少天然气可用。

但最终，我们的太阳系只剩下四颗气态巨行星——木星和土星，以及更冷的“冰巨人”天王星和海王星。美国国家航空航天局的朱诺木星任务通过检测木星中心一个巨大、多岩石但分散的核心的重力，帮助找到了支持核心吸积模型的证据，该核心的质量大约是地球的十倍。



太阳系的行星在自下而上的核心吸积过程中形成于原行星盘中。(图片鸣谢:美国国家航空航天局/福斯/勒奈特·库克)

自上而下形成气体世界

在自上而下的模型中，气体世界直接由星云中的气体团坍缩而成，就像恒星一样。然而，这个过程能产生的质量是最小的。

当一大团气体在自身重力的作用下收缩时，它会变热，因为气体被压缩成越来越小、密度越来越大的体积。但是当气体变暖时，它会膨胀，所以为了保持收缩，气体团必须散发多余的热量。因此，我们经常看到坍缩的气体云在热红外能量的照射下发光。

然而，有一个约束因素叫做“碎片的不透明度限制”。

欧洲航天局(European Space Agency)的萨姆·皮尔森(Sam Pearson)在一次采访中表示:“辐射出足够的热量，使气体冷却下来，并仍然坍缩，这取决于尘埃的不透明度、温度和密度，对于较小的物体，这一过程的效率会变得低得多，以至于在大约3个木星质量的情况下，它无法辐射出足够的热量来保持坍缩。”

体积越小，尘埃就变得越集中和不透明，辐射重力收缩多余热量的过程变得越来越低效。所以在自上而下的过程中不可能形成小于3个木星质量的东西。

为什么太阳系没有气体卫星

像它们的母星一样，我们太阳系的大多数卫星都是通过环绕母星的剩余物质圆盘中自下而上的核心吸积过程形成的。因为行星已经席卷了大部分可用的物质，只剩下不足以形成一个大到足以拥有足够引力来容纳大量气体的卫星。事实上，太阳系中只有一颗卫星有大气层，那就是土星最大的卫星土卫六。

同样，自上而下的过程不可能发生，因为没有足够的剩余气体，如果发生了，至少是木星质量的3倍，它将是太阳系中最大的世界。



土星的卫星泰坦，太阳系中唯一有大气层的卫星。(图片来源:美国国家航空航天局大学/JPL加州理工学院/亚利桑那大学)

奇怪的月亮

所以，我们不能通过两种最传统的产生气体世界的过程来形成气体卫星。然而，太阳系中有几个奇怪的东西是以不同的方式形成的。

就地球而言，月球可能是由地球与一颗火星大小的原行星发生巨大碰撞后爆炸的物质形成的。这些碎片形成了一个环，通过核心吸积形成了地球的月亮。对一颗气态巨行星的撞击会喷射出足够的气体形成一颗气态卫星吗？

可惜没有。“岩石行星可能会有这样的影响，但还记得舒梅克-利维9号彗星(1994年)撞击木星的时候吗？加州理工学院的杰西·克里斯蒂安森在接受Space.com采访时说。“气态巨行星什么都吃。”

任何与气体巨星碰撞的东西都只是被气体巨星包容，成为它的一部分，而不是向太空喷射碎片。

另一个奇怪的现象是捕获的卫星。例如，火星的两个卫星火卫一和戴莫斯是被捕获的小行星。土星最外层的卫星菲比是捕获的彗星物体，海王星的卫星海卫一是捕获的柯伊伯带物体。它们不是围绕一颗行星形成的，而是在太空中自行形成的，后来游荡得太近，被一颗行星的引力抓住了。

这就引出了一个问题，一颗较小的气态行星会被一颗较大的气态行星捕获吗？毕竟，气体世界的质量可以达到木星的十几倍，所以原则上它们可以很容易地捕获一个气体世界，比如说海王星的质量。

气体系外卫星

看来他们的确可以！“可能在巨大的系外行星周围有海王星大小的卫星，”克里斯蒂安森说。

本文开头提到的两个候选系外卫星——开普勒1625b-i和开普勒1708 b-I——本身都是气态巨行星，但它们似乎是更大气态巨行星的卫星。

克里斯蒂安森说:“我要强调的是，这两个人都是候选人。“我们在数据中看到了一些与月球相符的东西，但也有其他东西可以解释它。”

假设它是一颗真实的月球，那么开普勒1625b-i的质量是地球的19倍(约为木星质量的6%)，与海王星质量相近，并且伴随着一颗质量是地球30倍、直径是木星一半的气态行星。

开普勒1708b-i甚至更重，重量约为地球的37倍，围绕一颗比木星大4.6倍的巨行星运行。



艺术家描绘了一颗围绕系外行星开普勒1708 b运行的系外卫星

“他们挑战了很多理论，”克里斯蒂安森说。“很难想出它们形成那样的方式，所以它们一定是被俘虏了。”

原则上，被捕获的物体会使它们与我们太阳系中被捕获的卫星相似。它们会像行星一样从圆盘的核心吸积中形成，然后因为向它们的恒星迁移而被捕获。

在年轻的行星系统中，迁移似乎是一个常见的过程。这就是天文学家解释“热木星”的方式，热木星是距离恒星非常近的气态巨行星，但不可能形成得那么近。在系外卫星开普勒1625b-i和1708b-i的例子中，当它们迁移进来时，被位于它们前面的更大的行星捕获。

然而，尽管如此，它们很可能不是真正的卫星！相反，它们可能都是双行星而不是系外卫星的例子。双行星是指两个世界都围绕它们之间的一个共同质量中心运行，而不是一个围绕另一个运行。在我们的太阳系中有一颗双行星，伪装成冥王星和它最大的同伴卡戎。

所以，在某种程度上，有气体卫星——但是要制造它们，自然必须作弊！