探索神秘的行星环之行星环从何而来

行星环从何而来？

美丽的行星环细看时好像失去了美感。但实际上，在天文学家的眼中不是这样的，你看得越清楚，就对它越着迷，他们看到的不是干瘪的石头，是美妙多变的“西施”。此外，如果你仔细地研究行星环的形成过程、运动规律，你更会被其中的物理及数学之美所震撼！越深入下去，便越体会到科学的无限趣味和理论之美。

你可能想象不到，宇宙中的星体之间，也在不停地进行着一场“无言的战争”。它们主要的武器是万有引力以及因运动而具有的离心力。利用引力打击其它天体，利用引力来吸引小物体壮大自己。生物界的“大鱼吃小鱼、小鱼吃虾米”，在宇宙中则变成了“大星吞小星，小星吞石头；大星撞小星，小星变石头”。大大小小的天体在激烈的争夺战中互相碰撞、排离、破碎、吸引，达到一个我们所见到的所谓“平衡和谐”的宇宙图景。

天体力学中用“希尔球”的概念，来描述这种短暂平衡下天体之间各自霸占的“势力范围”。

希尔球，以美国天文学家威廉·希尔（William Hill，1838年－1914年）命名，粗略来说，是环绕在某天体周围、能够被它所控制的（近似球形）空间区域，如图1a所示。以太阳系为例，太阳因其最大的质量有一个大大的希尔球，所有绕日旋转的行星轨道都应该在太阳的希尔球以内。每一个行星也有它自己的引力场范围，是它的引力与太阳的引力抗衡所争夺而得的“地盘”。

比如说，地球能够保持月亮作为它的卫星，而不是太阳的卫星，月亮一定是在地球的希尔球以内。图1a中的实线代表引力等势面，因此，围绕每个星体的完整圆圈（实际上是3维空间中的球面）基本代表了该天体的引力场所及的范围。

图1：希尔球

不难直观理解，每个行星希尔球的大小与行星及恒星（太阳）的相对质量有关，行星质量越大，它抢到的地盘（希尔球）当然越大。此外，离太阳的距离也是一个重要的因素。距离太阳越远的行星，太阳对它难以控制，它便趁机扩大势力范围，网罗了众多的卫星，组织大家族搞独立王国。图1b表示的是八大行星的希尔球半径，由图可见，4个外围大行星的希尔球半径比里面4个的大了2-3个数量级。然后，根据下面列举的事实：木星和土星的（天然）卫星数目都在60个以上，地球却只有一个孤零零的月亮；内圈行星没有环，外圈4大行星都带环。应用刚才介绍的希尔球概念，相信你已经不难给这些现象一个简单的物理解释。

希尔球有时也被称为洛希球，因为在这方面的最早工作来自于法国天文学家艾伯特·洛希（Albert Roche，1820年-1883年）。

洛希的另一个著名工作是洛希极限，这个极限值与行星环的形成过程直接有关。

在之前的文章中曾经介绍过潮汐力，指的是天体对其附近物体的不同部分产生的引力大小不同而对该物体造成的某种影响。比如说，月亮对地球的潮汐效应表现为海洋的涨潮落潮；地球对月亮的潮汐力则将月亮的自转公转周期锁定，使得总以同一面对着地球。有关黑洞的科普或科幻读物则会经常提到：黑洞附近强大的潮汐力会将掉入其中的爱丽丝撕得粉碎。

即使不是黑洞，巨大天体附近的物体如果靠天体太近，也会因为潮汐力而分崩离析成更小的部分。什么距离算是“太近”呢？这个距离界限就叫做“洛希极限”。

图2：用洛希极限解释行星环的形成过程

洛希描述了一种计算物体（卫星）被潮汐力扯碎的极限距离的方法，如果卫星与行星的距离小于洛希极限，便不能靠自身的引力保持原有的形状，会因潮汐力而瓦解。洛希的理论可以用来粗略地解释土星的行星环是如何形成的，见图2。洛希极限值除了与行星及卫星的质量有关外，还与构成卫星的物质材料，比如说：是固态物质为主还是液态物质为主，以及具体的密度分布等因素有关。

这些因素也决定了环内“碎片”物体的大小。对一般常见的固态卫星而言，洛希极限大约是行星半径的2.5倍到3倍左右。因此，大多数的行星环都在洛希极限以内，但并非绝对的，还与行星环形成的历史过程有关。

行星环为什么能稳定？

洛希极限说明了在一定的条件下，卫星将崩溃成碎片从而有可能形成行星环。然而，形成了行星环之后，尽管环中的碎片和冰块互相不停地碰撞，但是整个环却能够基本保持一个稳定的形状围绕行星旋转，为什么这些碎片不四处散开而能够长年累月地聚集在环中呢？这个问题可能很复杂，有可能对不同的环有不同的答案。在对土星环的研究中，科学家们发现一个很奇特的现象：环的稳定性与附近某个（或两个）卫星的运动紧密联系、息息相关。

换言之，行星环看起来“稳定”的形态是与离它不远的某些卫星的运动有关的。

天文学家将此类卫星叫做“守护卫星”，或“牧羊卫星”。它们充当着“环场指挥”的角色，像是放牧时奔跑于羊群周围负责警卫的牧羊犬，又像是带领一群孩子到野外郊游时维持次序避免小孩丢失的幼儿园老师。当环中某个“不守规矩”的物体企图冲到“环”外时，“牧羊卫星”可以利用自身的、相对而言较大的引力，将这个“顽皮分子”拉回到队伍中！

“牧羊卫星”一般是行星卫星中较小偏中等的。这也是天体间“引力竞争”的结果。更大的卫星不屑于“牧羊”，自己独成一体；太小的卫星，引力不足以管理别人，有时还被环中的物体偷袭一下，撞击出的更小碎片往往反过来成为环中物质的来源。不过，土卫二是个反例，它的质量足够大，却是E环的物质来源。

土星环的结构复杂，发现的“牧羊卫星”已经有好些个。举土星那条细细的F环为例，在它的内圈和外圈，分别有两颗守护（牧羊）卫星：普罗米修斯（土卫十六）和潘朵拉（土卫十七），见图3和图4。

图3：牧羊卫星

普罗米修斯的直径只有86公里左右，在F环的内圈，公转的速度（周期0.61天）比外圈大小相仿的潘朵拉（100公里，周期0.63天）更快。而F环内物体的速度则介于两颗守护卫星的速度之间。

行星环中的物体（粒子）经常会互相碰撞，比如像比较密集的土星B环，环绕土星一圈的过程中应该要撞上好几回，能量和角动量都因为这些碰撞而散失和重新分配。F环虽然更稀疏，也免不了碰撞。其中的具体力学过程很复杂，但因为内圈的粒子跑得比外圈的要更快，碰撞的结果会降低内圈粒子的速度使它没有足够的离心力维持原有的轨道而企图坠入行星，反之，外圈因得到能量而企图逃逸行星。看起来，总的效果将会使得原来的环向内外散开。

不过，粒子互相散开需要时间，不是立即就发生的过程，当它们还来不及散开的时候，牧羊卫星过来了，它们的引力比较起环内粒子的引力来说，要大很多。如图3所示，内沿的普罗米修斯将内圈要坠毁的粒子拉住，向行星之外推，潘朵拉的引力则将外圈想逃逸的粒子抓回来。总的便达到了守护羊群避免散失的效果。奇怪的是，牧羊卫星对环中粒子的引力所产生的影响有点类似某种“排斥”：将轨道比它更“内”的粒子向内推，将轨道比它更“外”的粒子向外推，都是推向卫星自己的轨道的反方向。

由上所述，普罗米修斯和潘朵拉“一内一外”守护着F环中的“羊群”，还有另一个有趣的卫星“潘”（pan，土卫十八），则守卫着一条缝（恩克缝），见图4。潘的直径只有20公里，公转周期0.58天。就动力学原理而言，守护“缝”与守护“环”的道理是类似的，不必在此赘述。也就是将内环（或外环）的粒子向自己轨道的反方向推，因而便“清扫”出了一条缝来，使得恩克缝的宽度维持在300公里左右。

图4：普罗米修斯和潘朵拉守护F环，“潘”守卫恩克缝

我们对行星环的物理机制仍然知之甚少，有待进一步的观测数据和理论模型。例如，卡西尼号发回的最新资料，与刚才的说法就有点不同，对F环而言，起着守护作用的似乎主要是普罗米修斯，没有看出很多潘朵拉对F环的影响。普罗米修斯的运动不仅警卫F环中的粒子，还改变F环的形状，见图5。普罗米修斯也并不是规规矩矩地只在F环以内自己的轨道上运转，有时还穿到F环的粒子中间去“忽悠”一会儿，是个十分有趣的“牧羊犬”。

图5：普罗米修斯对F环的扭曲（卡西尼号）