太空之謎：爲什麼沒有氣態衛星？

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原作：Keith Cooper

翻譯：丁澤楊

校譯：陳瑋菁

編排：趙書晨

後臺：李子琦

原文鏈接：https://www.space.com/space-mysteries-why-no-gas-moons

我們有岩石衛星、海洋衛星和冰衛星，但爲什麼沒有氣態衛星呢？

作者：基思·庫珀 (Keith Cooper)

藝術家描繪開普勒-1625 b-i，以及其所繞行的行星和恆星系統中心的恆星。（圖像來源：美國國家航空航天局、歐洲空間局和L.赫斯塔克語(STScI)。）

衛星：具有多種形態

在我們的太陽系中，有岩石衛星（例如月球）、海洋衛星（例如木衛二和土衛二）和冰凍衛星（例如海衛一），但是卻沒有氣態衛星。這是因爲我們不幸沒有任何氣態衛星，還是因爲存在物理原因導致它們無法存在呢？

其實，宇宙中存在着氣體衛星！雖然它們並不在我們的太陽系內。雖然已經發現了5500多顆系外行星，但只有兩顆可能是系外行星，而且都還沒有被100%證實。這兩個系外行星的特別之處在於，它們是氣態巨行星，繞着更大的氣態巨行星旋轉！然而，正如我們將要看到的，它們可能是那個例外。

要理解爲什麼我們的太陽系中沒有氣體衛星，最好先了解氣體巨行星是如何形成的。

氣態巨行星的形成有兩種情況，一種是自下而上的形成模式，另一種是自上而下的形成模式。

自下而上，或者說“核心積聚”，是指我們太陽系中的氣體巨行星是如何形成的過程。如果我們能回溯到45億年前，我們將目睹一個年輕的太陽被一個氣體和塵埃盤所包圍。這個盤子是所有行星形成的原始盤。首先，它們積累爲岩石體，隨着灰塵、卵石和小行星的聚集而生長。有些只長到火星或金星那麼大，但還有一些不斷生長，形成了質量高達木星10倍的巨大岩石體。

一旦他們獲得了這個巨大的物質，他們的引力就足夠強，可以開始清除原行星盤上的大片氣體。他們究竟搶奪了多少氣體，增長了多少，這取決於他們的引力和可用的氣體量。

最終，我們的太陽系保留了四顆氣態巨行星，它們是木星、土星、天王星和海王星。NASA的“朱諾”號木星任務通過探測木星中心一個大型岩石的引力，該岩石的質量大約是地球的十倍，但仍在擴散，從而找到了支持核心吸積模型的證據。

太陽系中的行星是在原行星盤中自下而上的核心吸積過程中形成的。（圖片來源：NASA/熔斷器/麗奈特·庫克）

從上而下形成氣態世界

在自上而下的模型中，氣態行星是直接由星雲中坍塌的氣體形成的，就像恆星一樣。然而，這個過程所產生的質量是最小的。

當一團氣體在自身重力作用下收縮時，它會升溫，因爲氣體被填充到越來越小、越來越密集的體積中。但是，氣體變暖後會想膨脹，爲了保持收縮，氣團必須釋放多餘的熱量。因此，我們經常看到塌陷的氣體雲在熱紅外能量的照射下發光。

然而，存在一個約束因素，即“碎片不透明度的限制”。

歐洲航天局的薩姆·皮爾遜在接受採訪時表示，當物體坍縮時會輻射出大量熱量，這樣氣體就可以冷卻下來。但是，這一過程的效率會受到塵埃的不透明度、溫度和密度的影響。對於較小的物體，效率會大大降低，直到其質量達到木星質量的3倍左右時，它無法繼續輻射出足夠的熱量以繼續坍縮。

體積越小，塵埃越容易聚集和變得不透明，同時將引力收縮時產生的過量熱量輻射掉的過程變得越來越低效。因此，在自上而下的形成過程中，無法形成小於3個木星質量的天體。

爲什麼太陽系沒有氣態衛星？

和它們的母星一樣，太陽系中的大多數衛星都是通過自下而上的核心吸積過程形成的。這些過程是由剩餘物質構成的圓盤引起的，這些物質環繞着它們的母星。由於行星已經掃描了大部分可用的物質，只剩下不足以形成一個質量足夠大的衛星，以便有足夠的引力來容納大量的氣體。實際上，太陽系中只有土星最大的衛星泰坦（土衛六）有大氣層。

同樣，自上而下的過程也不可能發生，因爲沒有足夠的剩餘氣體。即使在至少3個木星質量的情況下，它也不會成爲太陽系中最大的行星。

土衛六是土星的衛星，是太陽系中唯一擁有大氣層的衛星。（圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院/亞利桑那大學）

神秘的衛星

因此，我們無法使用傳統的兩種方法來製造氣體衛星。不過，在太陽系中有一些奇特的地方，它們以不同的方式形成了氣體衛星。

就地球而言，月球可能是在與火星大小的原行星發生巨大碰撞後，由地球上爆炸的物質形成的。這些碎片形成了一個環，通過核心吸積建造了月球。那麼，如果氣態巨行星發生撞擊，是否也會噴射出足夠的氣體來形成氣體衛星呢？

很遺憾沒有發生這樣的事情。不過，岩石行星確實可能會發生這種撞擊。您還記得1994年Shoemaker-Levy 9彗星撞擊木星的情景嗎？加州理工學院的傑西·克里斯蒂安森(Jessie Christiansen)在接受Space.com採訪時表示：“氣態巨行星什麼都能吞噬。”

與氣態巨行星相撞的任何物體都只會被其包圍並融入其中，而不會將碎片噴射到太空中。

還有一件奇怪的事情就是捕獲的衛星。例如，火星的兩顆衛星火衛一和火衛二就是被捕獲的小行星。土星最外面的衛星菲比是一個被捕獲的彗星物體，海王星的衛星Triton是一個被捕獲的柯伊伯帶天體。它們並不是圍繞行星形成的，而是在太空中自行形成，後來靠近行星並被其引力所捕獲。

這裡引出了一個問題，即一顆較小的氣態行星是否可能被一顆更大的氣態行星捕獲？畢竟，氣態行星的質量可以達到木星質量的十幾倍，因此原則上它們可以很容易地用海王星的質量來捕捉氣態行星。

看來，他們確實有可能成功！克里斯蒂安森說：“在巨型系外行星周圍可能存在和海王星一樣大小的衛星。

這篇文章開頭提到的兩個候選系外行星——開普勒1625 b-i和開普勒1708 b-i本身都是氣態巨行星，但對於更大的氣態巨行星來說，它們似乎是衛星。

克里斯蒂安森說：“我要強調，這兩個都是候選體。我們在數據中發現了與月球相似的特徵，但也有其他因素可以解釋這一點。

假設它是一顆真正的衛星，那麼開普勒1625 b-i的質量是地球的19倍（約佔木星質量的6%），使它的質量與海王星相似。它圍繞着一顆氣態行星運行，該行星的質量是地球的30倍，直徑是木星的一半。

開普勒1708 b-i的質量甚至更大，約爲地球質量的37倍，它繞着一顆巨大的行星運行，該行星的質量是木星的4.6倍。

藝術家描繪了環繞開普勒1708 b運行的行星，讓我們一起欣賞。（圖片來源：Helena Valenzuela Widerström）

“他們挑戰了很多理論，”克里斯蒂安森說。“他們這樣形成的方式很難想象，所以他們一定是被捕獲了。”

原則上，被捕獲的物體會與我們太陽系中的衛星相似。它們會像行星一樣形成，先由圓盤中的核心吸積，然後因向恆星遷移而被捕獲。

在年輕的行星系統中，遷移似乎是一個普遍的過程。這也是天文學家解釋“熱木星”存在的原因。熱木星是一種運行軌道非常接近恆星的氣體巨星，但它們可能不會在靠近恆星的位置形成。在外星行星開普勒1625 b-i和1708 b-i的情況下，它們在遷移過程中被更大的行星所捕捉，因此出現在它們的前面。

然而，儘管如此，它們恐怕並非真正的月亮！相反，它們可能只是雙行星的一個例子，而不是系外衛星。雙行星是指兩個行星圍繞它們之間的共同質心運行，而不是一個圍繞另一個軌道運行。在我們自己的太陽系中，就有一顆雙行星，它僞裝成冥王星和它最大的伴星沙龍。

因此，即使存在氣體衛星，從某種程度上來說——但是要製造它們，大自然必須採取欺騙手段！

責任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

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