李德馨

太陽系的衛(wèi)星存在衛(wèi)星嗎？

我們都知道地球有一個(gè)美麗的衛(wèi)星，那就是月亮。月亮對(duì)于地球非常重要，它為地球阻擋住了各種小天體的撞擊。而月亮的引力給地球帶來的潮汐變化，對(duì)于促進(jìn)了地球的內(nèi)循環(huán)有著很大的意義。月亮像一個(gè)衛(wèi)士一樣的忠誠的守護(hù)著我們的地球家園，我們感激之余，不禁會(huì)發(fā)出疑問：月亮有守衛(wèi)它自己的“衛(wèi)士”嗎？

答案是否定的，月亮沒有屬于自己的衛(wèi)星。而且令人驚訝的是，太陽系目前已被發(fā)現(xiàn)的圍繞八大行星轉(zhuǎn)動(dòng)的185顆衛(wèi)星，沒有一顆擁有自己的衛(wèi)星。也就是說，太陽系內(nèi)不存在“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，這是為什么呢？實(shí)際上，這是由洛希球決定的。

洛希球，也被稱為希爾球，是美國天文學(xué)家喬治·威廉·希爾在法國天文學(xué)家愛德華·洛希的工作的基礎(chǔ)上定義的一個(gè)空間——一個(gè)天體的洛希球是以天體自身為中心的球形區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的物體主要受到該天體的引力作用。每一個(gè)天體都有自己的洛希球，洛希球相互擠壓，但是不會(huì)重疊，也就是說每一個(gè)天體的引力都有自己單獨(dú)的勢力范圍。

我們知道衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)動(dòng)依靠的是向心力，而向心力就是由引力提供的，所以一個(gè)小天體要想成為某一個(gè)大天體的衛(wèi)星，那它必須位于那個(gè)大天體的洛希球內(nèi)。所以我們考慮一個(gè)天體是否存在衛(wèi)星，首先就要思考一下該天體的洛希球有多大。

天體的洛希球有多大？

我們?cè)趺从?jì)算一個(gè)天體的洛希球的大小呢？如果一個(gè)天體（例如地球）質(zhì)量是m，被它環(huán)繞的更大的天體（例如太陽）質(zhì)量是M，軌道半長軸是a，離心率是e，那么這個(gè)天體（例如地球）的洛希球半徑r的近似值為：r=a·（1-e）·。經(jīng)計(jì)算，地球的洛希球半徑為150萬千米，所以地球很輕易的就捕獲了距離其只有38萬千米的月亮。而如果有某些因素使得月亮擺脫了地球的束縛，并進(jìn)入太陽的洛希球的話，它就會(huì)和地球一樣，直接圍繞繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)了。

我們知道直接圍繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的天體分為三類：行星、矮行星、小行星。那為什么有些天體成為小行星，有些天體成為衛(wèi)星了呢？其實(shí)這與天體所處的空間位置有關(guān)。如果這個(gè)天體位于行星附近，就不會(huì)成為圍繞恒星的小行星。這是因?yàn)樾行切纬蛇^程中，把它周圍的小天體全部“收編”了，要不吸入懷中，要不就成了它的衛(wèi)星。只有火星和木星軌道之間，有一個(gè)小行星帶。據(jù)天文學(xué)家推測，那個(gè)位置由于離火星和木星的距離都比較遠(yuǎn)，火星和木星都鞭長莫及，但木星的引力對(duì)它們產(chǎn)生干擾，所以無法形成一個(gè)大一點(diǎn)的行星。另外一個(gè)小行星帶（彗星帶）在八大行星之外的太陽系邊緣，即柯伊伯帶。

有些人腦洞大開：宇宙飛船有洛希球嗎？如果有的話宇航員就可以繞它旋轉(zhuǎn)了。我們假設(shè)宇宙飛船有100噸，它在距離地球表面300千米的太空中繞地球飛行，計(jì)算得出它的洛希球的半徑只有1.2米，比它自身尺寸小的多。有些同學(xué)會(huì)追著問，那人也會(huì)有洛希球嗎？答案是肯定的，但人的洛希球也比人的自身尺寸小的多，所以你就不要期待會(huì)有一個(gè)小東西繞著你轉(zhuǎn)了。與之類似的，科學(xué)家們經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，太陽系內(nèi)的衛(wèi)星的洛希球都不大，雖然不至于小于自身，但也沒有能力捕獲較遠(yuǎn)距離的天體，這是太陽系內(nèi)不存在“衛(wèi)星的衛(wèi)星”的主要原因。

但是，如果流浪的小天體跑到大天體的洛希球內(nèi)，小天體就會(huì)成為大天體的衛(wèi)星嗎？那得看看是什么情況了，如果距離合適且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)合理的話，小天體是有可能成為大天體的衛(wèi)星的。但如果小天體是從遠(yuǎn)方高速呼嘯而來，暫時(shí)“借路”穿過的話，大天體是很難挽留的，也許它還會(huì)擔(dān)心這個(gè)小天體會(huì)不會(huì)迎面撞上自己。還有一種情況，那就是小天體如果離大天體太近，它會(huì)被大天體的潮汐力撕碎而摧毀，更不可能成為其衛(wèi)星。這是為什么呢？這里得提到一個(gè)詞——洛希極限。

和洛希球一樣，洛希極限同樣是以法國著名的天文學(xué)家愛德華·洛希的名字命名的。愛德華·洛希于1820年生于法國，卒于1883年。除了洛希球、洛希極限外，洛希還提出了洛希瓣、洛希模型等理論，對(duì)人類天文學(xué)的發(fā)展做出了非常重大的貢獻(xiàn)。

洛希極限

2019年年初上映的國產(chǎn)科幻大片《流浪地球》，是一部非常優(yōu)秀的有關(guān)星體碰撞的災(zāi)難片，它里面就有提到“洛希極限”這一詞，細(xì)心的觀眾也許還有印象吧。那什么是洛希極限呢？洛希極限指的是兩個(gè)天體之間安全距離的極限值，它通常是大的天體半徑的2.44倍。如果兩個(gè)天體之間的距離小于洛希極限，由于潮汐力的作用，小質(zhì)量天體就會(huì)被大質(zhì)量天體撕裂。

根據(jù)萬有引力，兩個(gè)物體的距離越小，它們之間的引力越大。而天體是立體的，由于距離和角度的不同，每個(gè)部位受到的引力是不一樣大的。當(dāng)兩個(gè)天體的距離小于洛希極限的時(shí)候，小質(zhì)量的天體各部位承受的引力差就會(huì)變得很大，最終整個(gè)小天體會(huì)被大天體撕裂成碎片。土星被譽(yù)為太陽系最漂亮的行星，有一層十分漂亮的光環(huán)在環(huán)繞著它，頗具神秘色彩。但其實(shí)這個(gè)光環(huán)就是由土星的潮汐力撕碎的小天體的碎片形成的，里面大概含有數(shù)十億塊小塊的冰塊和巖石。無法想象土星總共撕裂了多少個(gè)小天體，可見潮汐力是多么恐怖。

經(jīng)過計(jì)算，地月之間的洛希極限是1.55萬千米。如果月球與地球最近距離是1萬千米時(shí)，它首尾之間的引力大小相差達(dá)80%，它就會(huì)被地球撕碎并且成為地球的光環(huán)了。這對(duì)人類也是災(zāi)難性的，因?yàn)橐哂须p向性。如果地月過近，地球也會(huì)受到極強(qiáng)的潮汐力，雖不至于撕裂，但會(huì)導(dǎo)致地震、海嘯等超強(qiáng)自然災(zāi)難的發(fā)生。

可見，行星之間的運(yùn)行和人們駕駛汽車一樣，保持安全的距離是很重要的。

引力曲線圖