太阳系的卫星和光环

1、太阳系的卫星和环本文列出的行星的白然卫星,显示了与其环绕的行星一样多的多样 性.在类地行星中,的卫星只有地球的卫星和火星的两颗小卫星火 卫一和德伊莫斯.地球上的月亮很不寻常,由于它相对于它的主星来说 太大了.月球的硅酸盐成分类似于地球的地幔,还有一个非常小的铁心.现在人们普遍认为,月球是在类地行星吸积后期,由原地球和另一 颗火星大小的原行星碰撞形成的.这种“巨大的撞击现在被认为能够 解释太阳系的许多特征,例如异常高密度的水星和几个平面旋转轴的大 倾角.以地球为例,与另一颗原行星的碰撞导致两颗行星的核心合并, 而两个天体的一小局部被抛入环绕地球的轨道,在那里一些物质重新聚 集形成了月球.随后,地

2、球和月球之间的潮汐相互作用将月球的轨道缓 慢地向外演化到目前的位置,同时减缓了地球和月球的白转.现在人们普遍认为,月球是在类地行星吸积后期,由原地球和另一 颗火星大小的原行星碰撞形成的.这种“巨大的撞击现在被认为能够 解释太阳系的许多特征,例如异常高密度的水星和几个平面旋转轴的大 倾角.以地球为例,与另一颗原行星的碰撞导致两颗行星的核心合并, 而两个天体的一小局部被抛入环绕地球的轨道,在那里一些物质重新聚 集形成了月球.随后,地球和月球之间的潮汐相互作用将月球的轨道缓 慢地向外演化到目前的位置,同时减缓了地球和月球的白转.巨大撞击 假说能够解释地-月系统的许多特征,包括月球和地球地幔成分的相似

3、 性、月球内部缺乏重要的铁心以及地-月系统的高角动量.与大多数大型白然卫星一样,月球也经历了潮汐演变,其白转周期 与其轨道白转周期相匹配.这就是所谓的同步旋转.它导致月球在任何 时候都显示出与地球相同的面,尽管由于月球轨道的偏心,与此有一些 小的偏离.月球外表显示了太阳系历史上所有行星都经历过的强烈撞击的记 录.根据长寿命放射性同位素的衰变,对返回的月球样品进行了年龄测 定.这使得通过比较样本年龄和收集样本的月球平原上的陨石坑数量, 可以确定月球爆炸的年代.月球平原,或称玛丽亚,是月球历史上第一 个十亿年中熔岩大规模喷发的结果.所揭示的年表显示,月球经历了42亿到38亿年前,被称为晚期重轰击.

4、与形成类地行星和去除其轨道上大 局部三行星碎片所需的1亿至2亿年相比,这一时间段相对较晚.月球、 水星和火星上陨石坑大小分布的相似性说明,晚期的猛烈轰击席卷了所 有的类地行星.最近对晚期重轰击的解释集中在它来白于清理外行星带 的彗星碎片的可能性上.然而,该进程时间表的详细动态计算仍在确定 之中.就像太阳系几乎所有其他卫星一样,被困在月球的夜晚.此外,钠 和钾月球没有实质性的大气.已经探测到了一个瞬态at,可能是由于太阳风中的第原子轰击太阳风粒子如水银上的太阳风粒子引起的外表 大气溅射的结果.月球外表被捕获.氯的探测与地球的月球不同,这两 颗从地表岩石逃逸和火星暂时变冷的天然卫星都是体积小、不规

5、那么的天 体,在轨道上相对来说离地球很近.事实上,火卫一,这颗更大更近的 卫星,绕火星运行的速度比行星白转的速度要快.这两颗火星卫星的表 面成分似乎与碳质球粒陨石相似.这导致人们猜测这些卫星是被封顶的 小行星.这一假设的一个问题是,火星位于小行星带内边缘附近,在那 里硅酸盐小行星占据着人口的主导地位,而车泥质小行星相对较少.另 外,这两颗卫星都非常靠近行星,并且都位于接近圆形或比特的位置, 这对于捕获的物体来说是不寻常的.与类地行星的卫星相比,巨行星的卫星数量众多,排列复杂.木星 有四颗主要的卫星,很容易在地球上的小型望远镜中看到,还有58颗已知的较小卫星.1610年伽利略发现了四颗主要卫星,

6、现在称为伽利略卫 星,这是哥伯-尼卡日心太阳系理论的早期证实之一.最里面的伽利略卫 星,Io,大约和地球的月亮一样大,由于木星的潮汐扰动以及与木卫二 和木卫三的引力相互作用,其外表有活泼的火山活动见第2.1节.下一颗向外的卫星是木卫二,它比木卫一稍小,似乎有一个薄冰壳覆盖在 可能的液态水海洋上,这也是木星潮汐加热和卫星-卫星相互作用的结果.基于撞击坑的计算,对木卫二外表年龄的估计还很年轻,这说明薄 冰壳可能会反复破裂和改造.从木星向外的下一颗卫星是木卫三,它是 太阳系中最大的卫星,甚至比水星还要大.Ganymede!：另一颗冰冻卫星, 它显示了构造活动的证据,并且在过去的某个时间s被局部地复活

7、. nal伽利略卫星是 Callisto ,另一颗冰冻卫星,它似乎保存了彗星和小 行星的撞击记录,可以追溯到太阳系的起源.如前所述,伽利略内部三 颗卫星的轨道被锁定为4:2:1的平均运动共振.木星较小的卫星包括4颗在木卫一轨道内,54颗在离木卫一非常远 的地方.后者大多处于逆行轨道,这说明它们很可能是被捕获的彗星和 小行星.这些卫星的轨道参数分成几个紧密相关的组.这说明,每一组 都是由一个更大物体的碎片组成,而这个碎片很可能是由于与另一颗小 行星或彗星的碰撞而被破坏的.可能,碰撞发生在木星的引力球内,然 后可能导致碎片的动态捕获.所有近轨道的木星卫星在木卫四附近似乎都与木星同步旋转.但是,已经

8、确定了轮换周期对于两颗外层卫星, Himalia和Elara来说, 它们的运行时间大约为10到12个小时,比它们围绕地球的250天的旋 转周期要短得多.土星的卫星系统与木星的非常不同, 由于它只包含一颗大卫星泰坦, 其大小与伽利略卫星、8颗中等大小的卫星和47颗较小的卫星相当.土 卫六是太阳系中唯一一颗大气层丰富的卫星.尽管卡西尼号太空船已经太阳系的卫星和环 成功地在红外和雷达波段观测到了月球外表,但其大气层中的有机残留 物云却阻碍了月球外表的观测.大气主要是氮气,也含有甲烷,可能还 有氯.在94k下测量了土卫六的外表温度,外表压力为 1.5bar.卡西尼 号在土卫六上发现了一个复杂的外表形态

9、,包括河流、湖泊和可能的低 温火山作用.土星的中小型卫星都有冰的成分,并经历了亚标准的处理,可能是 潮汐加热的结果,也可能是碰撞的结果.轨道共振存在于几对卫星之间, 大多数卫星与土星同步旋转.一个有趣的例外是 Hyperion ,它是一个高 度非球形的物体,看起来处于混沌旋转中.另一颗卫星土卫二的轨道上 有一个物质环,可能来白卫星,这可能是由于最近的一次大规模撞击, 也可能是由于冰卫星上的火山活动；卡西尼在土卫二南极附近发现了冰 间歇泉.另外两颗卫星,迪翁和特提斯,在同一轨道上有伴星,分别围 绕土星-迪翁1个伴星和土星-特提斯2个伴星系统的特洛伊振动 点振荡.另一个特别有趣的土星卫星是土卫八,

10、它在一个半球是黑暗的, 在另一个半球是明亮的,它的赤道有一个狭窄的山脊环绕着卫星.地表 反照率或赤道脊异常二分法的原因尚不清楚.土星有一颗非常遥远的中等大小的卫星,菲比,它在逆行轨道上, 被认为是一颗早期太阳系的行星,尽管它是一颗非常大的行星.菲比不 是同步站,而是有一个大约 10小时的周期.的47颗土星小卫星包 括10颗嵌入或紧邻土星环系的卫星、3颗特洛伊式天秤座卫星和34颗位 于遥远轨道的卫星.与木星一样,这些遥远的天体大局部都是在后级轨 道上,有些是成组的,这说明它们是碰撞碎片.天王星系统由.ve颗中等大小的卫星和22颗较小的卫星组成.再说 一遍,这些都是冰的东西.这些卫星还展示了过去的

11、加热和可能的构造 活动的证据.米兰达卫星特别不寻常,由于它展示了各种各样的复杂地 形.有人认为,米兰达和其他许多可能是结冰的卫星在其历史上的某个太阳系的卫星和环 时候受到了碰撞破坏,碎片随后重新进入轨道,形成了目前观测到的卫 星,但保存了一些较老的形态.在太阳系的历史上,这种中断/再触发阶段甚至可能在某些特定卫星的情况下再次发生.在较小的天王星卫星中,13颗嵌入环系统,9颗位于遥远的、主要是逆行轨道.同样,这些可能 是被捕获的对象.海王星的卫星系统由一个大的冰卫星,海卫一和12个小卫星组成.海卫一比冥王星稍大一些,它在逆行轨道上是不寻常的.因此,与海王 星的潮汐相互作用导致卫星的轨道衰变,最终

12、当海卫一在罗氏极限范围 内通过时,它将被行星的引力撕裂.逆行轨道经常被引用作为证据,证 明Triton卫星一定是从行星际空间捕获的,实际上并没有在绕行星的轨 道上形成.尽管距离太阳很远,但 Triton的冰面显示出许多不寻常的地 形类型,强烈暗示着热处理,甚至可能是当前的活动.旅行者2号宇宙飞船拍摄到了海卫一上“冰火山的羽状物.海王星较小的卫星包括 6颗环系内或环系附近的卫星和 6颗遥远的 轨道上的卫星,它们平均分为直接和逆行卫星.在矮行星中,谷神星没有的卫星.冥王星有一颗非常大的卫星,即Charon,它的大小略大于冥王星的一半,还有两颗较小的卫星,Nix和Hydra,每颗直径约为40-60公

13、里.冥王星-冥王星系统是完全潮汐演 变的.这意味着冥王星和 Charon都以相同的周期旋转,即6.38723天, 这也是卫星在其轨道上的旋转周期.结果,冥王星和查伦艾尔韦尔 斯彼此露出了相同的面孔.有人疑心冥王星-夏隆系统是由两个大型柯伊 伯带天体之间的巨大撞击形成的.第三颗矮行星Eris也有一颗中等大小的卫星Dysnomia,直径约300-400公里.除了他们的卫星系统,所有的木星方案 ets都有环系统图8.与 卫星系统一样,每个环系统都与它的邻居截然不同.木星有一个 1.72-1.81行星半径的单环,由旅行者1号宇宙飞船覆盖.这个环有几个太阳系的卫星和环 部件,与环内或环附近的四颗小卫星有

14、关.微米大小的环形粒子似乎是 嵌入卫星上的溅射物质.土星有一个巨大的、宽的环系统,其半径介于1.11到2.27行星半径之间,很容易在地球上的小型望远镜中看到.环系统由三个主要的环 组成,称为A、B和C,从外向行星排列,C环内有一个标记为D的漫射 环,几乎一直延伸到土星大气的顶部,还有其他几个狭窄的单独环.旅行者号太空船仔细检查后发现,A、B和C环各由数千个单独的环 组成.这个复杂的结构是许多土星卫星以及镶嵌在土星环内的小卫星平 均运动共振的结果.一些小卫星充当引力“牧羊人,将环形粒子聚焦 成窄环形.附加的窄环和扩散环位于主环系统外.天王星环系统是1977年在天王星掩星观测过程中意外发现的.在这

15、 颗行星的两侧,我们看到了恒星信号中一个对称的.ve窄倾角模式.后来 对其他恒星掩星的观测发现了一个额外的.ve窄环.旅行者2号探测到了 更多的、更模糊的、弥散的光环,并提供了整个光环系统的详细图像.发现天王星环的成功,导致了类似的使用恒星掩星在海王星周围寻 找环系统的研究.环被探测到,但并不总是围绕行星对称,这说明环中 存在间隙.随后的旅行者 2号图像显不",在六个被探测到的环中,有一* 个环的物质在方位上浓度很大.所有的环系统都在各白行星的罗氏极限范围内,在这个距离上,来 白行星的潮汐力将破坏任何固体,除非它足够小和足够强,能够被白身 的物质力量结合在一起.这使得人们普遍认为这些

16、环是被破坏的卫星, 或者可能是永远无法成功形成卫星的物质.环状颗粒的典型尺寸从微米 大小的灰尘到米大小的物体,似乎主要由冰物质构成,尽管在某些情况 下被含碳物质污染.木星环是一个例外,由于它似乎是由碳质和硅酸盐 物质组成,没有冰.太阳系的另一个组成局部是黄道尘埃云,这是一个巨大的,连续太阳系的卫星和环 的.ne尘埃云,延伸到整个行星区域,通常集中在黄道平面.云层由彗星 释放出来的尘埃颗粒组成,这些尘埃颗粒是由于冰核升华和小行星之间 的碰撞而产生的.据估计,彗星约占黄道带云中总物质的三分之二,其 余的物质那么来白小行星碰撞.动力学过程倾向于将尘埃均匀地散布在太 阳周围,尽管某些结构是最近小行星碰

17、撞的结果.这些结构,或者它们 也被称为带,每一个都与c类小行星碰撞家族有关.尘埃粒子遇到地球时,通常会因与大气的摩擦而燃烧,呈现为可见 的流星.然而,半径小于 50 pm的粒子具有非常大的面积质量比,它们 可以在大约100公里的高度在大气中高速减速,并且可以在不蒸发粒子 的情况下辐射掉摩擦产生的能量.然后这些粒子在大气中缓慢沉降最终 被并入陆地沉积物.20世纪70年代,美国宇航局开始试验用高空 U2侦 察机收集三行星尘埃粒子IDPs,由于D.Brownlee的开创性工作,也称 为Brownlee粒子.平流层中的地面颗粒物来源很少,主要由火山气溶 胶和固体火箭燃料废气中的氧化铝颗粒组成,每一种颗

18、粒物都很容易与 地外物质区分开来.IDPs的组成反映了产生它们的源体的范围,包括普通的和车用的软 质球粒陨石物质和可疑的彗星粒子.由于大气减速过程中的加热程度是 相遇速度的函数,重新记录的idp强烈偏向主带的小行星粒子,主带以 较低的偏心率轨道接近地球.尽管如此,可疑的彗星粒子仍包含在IDPs中.彗星的IDPs显示了一种随机的“葡萄状葡萄丛排列的亚微米 硅酸盐颗粒,其大小类似于星际尘埃颗粒,紧密地混合在碳质基质中. 国内流离失所者的空洞可能曾经被彗星冰层填补过.2006年,星尘号飞船返回了在野生2号彗星的一次.yby期间收集到的彗星尘埃样本；这些 样本将提供地球上的南极冰芯、绿地中的熔池以及沉

19、积物中的毫米级硅 酸盐和镣铁熔融产物中也收集到了外星微粒.陆地沉积物中的IDP组分可以通过测量3He丰度来确定.3He在陆地物质中的丰度为10.6或更低.太阳系的卫星和环 3He在IDP颗粒暴露于太阳风时被注入.利用这项技术,人们可以寻找外 星颗粒物随时间的流入速率的变化,并且可以看到这种变化,有时与地 球上的撞击事件相关.太阳风是太阳系中一个根本看不见的局部,它是一种电离气体,从 太阳源源不断地流入太空.太阳风主要由质子氢原子核和电子以及 一些a粒子第原子核和微量重离子组成.它在日冕中加速到超音速, 并以400公里每秒的典型速度向外流动.太阳风具有高度的变化性,它 不仅随太阳白转周期的变化而

20、变化, 而且随太阳白转周期的变化而变化, 随太阳白转周期的变化而变化,而且随太阳白转周期的变化在时间尺度 上也更为迅速.当太阳风向外膨胀时,它携带着太阳磁场,并随着太阳 的旋转呈螺旋状.太阳风是L.Biermann在20世纪40年代末根据对彗星 等离子体尾 的观测 首次推断 出来的.超音速 太阳风 的理论最 早由 E.N.Parker在1958年描述,太阳风本身在1962年被地球轨道上的探索 者10号飞船和水手2号飞船在前往金星的yby星的途中探测到.太阳风与太阳系中行星和其他天体的相互作用也是高度可变的,这 主要取决于天体是否具有白身的三重磁场.对于没有磁场的天体,如金 星和月球,太阳风分别

21、直接撞击大气层顶部或固体外表.对于像地球或 木星这样具有磁性的天体来说,.eld起到了屏障的作用,并将其周围的 太阳风别离出来.由于太阳风以超音速扩展,在行星际太阳风与行星磁 层或电离层的界面处产生冲击波或弓形冲击波.行星磁层可以相当大, 在地球的上游向阳延伸出12个行星半径,从木星延伸出50-100个 半径.太阳风离子可能会泄漏到两极附近的行星磁层中,从而产生可见 的极光,这些极光已经在地球、木星图10和土星上观测到.当太阳风经过行星时,太阳风与行星磁层的相互作用产生了巨大的磁尾结构, 这种磁尾结构经常延伸到行星间的距离.所有的木星行星,以及地球,都有亚标准磁层,因此也有行星磁层.太阳系的卫星和环 水星的磁场很弱,但是金星没有可探测的磁场.火星有一个斑驳的.eld , 表示一个过去的磁场.eld在行星历史的某个时刻,但它没有有组织的磁 场.eld在这个时候.伽利略号宇宙飞船探测到一个与伽利略号最大的卫 星“木卫三有关的磁场.然而,没有发现木卫二或木卫四的磁