氣態(tài)巨星的另類世界

最近幾個月，“卡西尼”號探測器圍繞土星旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星拍攝了許多精美的照片。從傳送回來的圖片來看，土星與它的衛(wèi)星就仿佛是熱氣球周圍飄浮著許多顆粒。跟土星相比，土衛(wèi)二、土衛(wèi)十七、土衛(wèi)一、土衛(wèi)十四、土衛(wèi)四甚至土衛(wèi)六(土星最大的衛(wèi)星)都小得像蚊子一樣。讓我們想象一下，把所有這些衛(wèi)星放到天平的一端，再把土星放到另一端，指針將顯示衛(wèi)星的總質(zhì)量只是土星的萬分之一!同樣，盡管木星這顆氣態(tài)巨行星擁有太陽系已知最大的衛(wèi)星——木衛(wèi)三，但它所有的衛(wèi)星加起來仍然微不足道。木衛(wèi)三的直徑為5260千米(月球的直徑為3470千米)，質(zhì)量是1.5×10²⁰噸，如果我們再算上木衛(wèi)四、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二以及其他木星的衛(wèi)星(總數(shù)不少于56個)，衛(wèi)星的總質(zhì)量僅達到木星質(zhì)量的萬分之一。這樣的情形讓人心存疑惑：為什么木星、土星、天王星和海王星這四個太陽系的氣態(tài)巨行星，不能像地球那樣擁有一顆大大的衛(wèi)星?不管怎么說，木星質(zhì)量是地球的300倍，按照它的個頭，起碼該擁有一個奢侈型的大衛(wèi)星!大家別忘了，地球質(zhì)量只是自己衛(wèi)星——月球的81倍。為什么巨行星沒有巨衛(wèi)星在身邊環(huán)繞呢?特別值得一問的是，為何一個氣態(tài)巨行星所擁有的衛(wèi)星的質(zhì)量總和基本上都是行星本身質(zhì)量的萬分之一?

為了回答這兩個問題，位于美國科羅拉多的玻爾得西南研究中心空間研究部主任羅賓·卡納普女士致力于弄清氣態(tài)行星的衛(wèi)星形成。經(jīng)過4年的數(shù)字模擬，這位美國天體物理學(xué)家與她的同事威廉·華德提出了前所未有的新解釋。他們認為，在太陽系形成最初期，即45億年前，氣態(tài)行星周圍曾存在過較大的衛(wèi)星；但當其質(zhì)量一旦超過某個臨界點時，衛(wèi)星就會遭遇滅頂之災(zāi)——被吸進行星主人的巨大熔爐，從此消失得無影無蹤……總之，巨行星的衛(wèi)星跟人類有一個共同的特點：平均壽命跟身材大小有關(guān)，越輕盈就活得越長。

科學(xué)家們認為，在一個巨行星形成的最后幾百萬年中，它的周圍飄浮著一個由氣體與塵埃組成的環(huán)。這個環(huán)圍繞行星旋轉(zhuǎn)，它的物質(zhì)供給來自于一個比它大得多的環(huán)繞著恒星的環(huán)(即恒星環(huán))。恒星環(huán)內(nèi)包含了太陽系的所有行星，巨行星的衛(wèi)星們從中孕育發(fā)展而來。隨著衛(wèi)星積累巖石逐漸長大，它們的軌道半徑會逐漸縮小，最終因靠近行星而進入危險境地。這就是為什么大塊頭衛(wèi)星的平均壽命如此之短。

本該統(tǒng)統(tǒng)消失

實際上，衛(wèi)星朝向其所環(huán)繞行星的“遷移”機制早已不是秘密。恒星周圍的行星形成也是同樣的原理，它也可以解釋為什么許多系外行星非常接近它們的恒星。問題是，如果我們生搬硬套，那么就理應(yīng)看不到氣態(tài)巨行星周圍的衛(wèi)星，因為它們本該統(tǒng)統(tǒng)消失!為了走出研究的死胡同，羅賓·卡納普和威廉·華德在模擬過程中采取了別出心裁的方法。他們假設(shè)來自恒星環(huán)的持續(xù)物質(zhì)補給彌補了衛(wèi)星的常規(guī)損耗，這一補給使小衛(wèi)星們不斷成長。所以，在行星形成的最后幾百萬年中，一代代的衛(wèi)星誕生又消失。那么究竟有多少呢?

羅賓·卡納普估算道：“根據(jù)我們的模型，當行星累積到目前質(zhì)量的90％時，衛(wèi)星能夠形成3種～5種不同體系。但我們現(xiàn)在尚無法肯定，還需繼續(xù)完善這些模型。”一代又一代的衛(wèi)星前赴后繼，直到來自恒星環(huán)的物質(zhì)消耗殆盡，一切才停止。這位女天體物理學(xué)家證實道：“我們今天能看到的衛(wèi)星是最后一代幸存兒。”

天王星仍在抵抗

從數(shù)量及星體分布來看，他們的結(jié)論與我們在木星、土星及天王星周圍觀測到的真實情況非常接近。特別值得一提的是，模型計算出了十分精準的質(zhì)量極限。羅賓·卡納普詳細描述說：“模型的第一個預(yù)測是存在一個最大質(zhì)量，衛(wèi)星質(zhì)量不能超過這一數(shù)值，否則必然會被行星吞噬。這個最大質(zhì)量由行星的質(zhì)量所決定，約為行星質(zhì)量的萬分之一到二分之一。就拿木星來說吧，這一質(zhì)量差不多相當于木衛(wèi)三與木衛(wèi)四的質(zhì)量之和。模型的第二個預(yù)測是每個衛(wèi)星個體不能超過一定的質(zhì)量，而且它們的質(zhì)量幾乎保持穩(wěn)定。”這也就解釋了為什么天體天平的指針總是指向相同的數(shù)值。如今，木星與土星的問題仿佛已被順利解決，但羅賓·卡納普和威廉·華德還要繼續(xù)解釋天王星的情況。天王星衛(wèi)星的質(zhì)量符合科學(xué)家的設(shè)想，但其傾斜的旋轉(zhuǎn)方式帶來了一些新問題。一般情況下，行星的自轉(zhuǎn)軸與黃道面基本垂直，而天王星的自轉(zhuǎn)軸與黃道面卻幾乎平行。假如天王星是在形成過程中逐漸翻轉(zhuǎn)了自轉(zhuǎn)軸，那么羅賓·卡納普與威廉·華德兩人的模型就能與實際吻合；相反，如果按照最傳統(tǒng)的猜測，天王星“躺”著轉(zhuǎn)的姿態(tài)是由于其他星體的劇烈撞擊而形成的，那么新模型就未必能給出合理解釋。如果是這樣，我們還必須了解清楚碰撞是否發(fā)生在天王星衛(wèi)星正在形成之時。兩位科學(xué)家目前正在努力解開這個謎團。

例外情況下模型

那海王星的情況又怎么樣呢?它擁有一顆比其他衛(wèi)星大得多的海衛(wèi)一，而且海衛(wèi)一還擁有唯一的逆行軌道(軌道公轉(zhuǎn)方向與行星的自轉(zhuǎn)方向相反)，而且軌道傾斜。長期以來，科學(xué)家們猜測它的形成與其他衛(wèi)星不同，并非孕育于行星的周邊，而可能來自柯伊伯帶。這個小行星帶越過了海王星的軌道，海衛(wèi)一因過于接近海王星而被這個氣態(tài)巨行星捕獲。但這一說法至今仍未完全獲得科學(xué)界的認可。現(xiàn)在，有兩名年輕的科學(xué)家找到了一種能夠完美解釋海衛(wèi)一不幸遭遇的機制，其中之一是羅賓·卡納普的學(xué)生克雷格·阿格諾。這一發(fā)現(xiàn)能否在科學(xué)界獲得一席之地?羅賓·卡納普肯定地說：“可以確信的一點是，海衛(wèi)一與海王星質(zhì)量之間的關(guān)系符合模型的推論。在海衛(wèi)一被捕獲之前，海王星的衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)該與天王星相似。”海衛(wèi)一到來后，便成為海王星周圍最大的衛(wèi)星。“我想假如海衛(wèi)一是個較小的星體，那么它可能被一顆原生的海王星衛(wèi)星掃地出門。今天已經(jīng)消失的許多小型星體極可能遭遇了這樣的命運。我們現(xiàn)在還能夠看到海衛(wèi)一的唯一原因便是它足夠大，在海王星自身的衛(wèi)星體系摧毀它之前，它已破壞了這一體系。”換句話說，海衛(wèi)一的質(zhì)量非常理想，既可以使它躋身衛(wèi)星行列，但又不過于龐大，不至于自投羅網(wǎng)地沖進海王星的大熔爐。

如此看來，太陽系氣態(tài)巨行星的衛(wèi)星體系并不存在任何偶然，同樣的規(guī)律也能應(yīng)用到太陽系以外的行星上。一些癡迷于此的人曾經(jīng)認為，近些年來在距離遙遠的恒星周圍發(fā)現(xiàn)的一些類似木星的行星四周說不定也有大如地球的衛(wèi)星。但根據(jù)羅賓·卡納普和威廉·華德的模型，如今可以肯定這樣的推測不成立。羅賓·卡納普解釋說：“那些行星可能擁有月亮甚至火星般大小的衛(wèi)星，但不可能比火星更大。”如果人們想尋覓其他的“地球”，一定不能在太陽系外的巨行星周圍尋找。