木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?


  2018-07-24 丨资讯  丨 NASA China  丨 暂无 丨 515

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Credit:NASA

近日(7月16日),卡内基科学研究所宣布新发现了12颗木星的卫星,至此,已发现的木星卫星数目一口气飙升至79颗[1]。

说是“飙升”,可一点都不夸张。要知道,400年前的地球人只知道4颗木星卫星,100年前知道了8颗,50年前知道了12颗,十八年前(也就是2000年前)的地球人,也不过才发现了18颗木星卫星而已…

这次这批新发现的卫星全部都是卡内基研究所的Scott Sheppard小组发现的…emmm听起来很厉害的样子嘛…不过,如果我们稍稍了八一八木星卫星的发现历史,就会发现…其实也没有很惊讶,这件事应该也只有他们干得出来了

伽利略卫星:推翻地心说的有力证据


木星有多少颗卫星?这个问题,不同时代的人们有不同的答案。

但对四百多年前的地球人来说,答案一定是0。

什么叫卫星呢?卫星是要绕着某个行星运转的天体呀…所以…对大多还信奉“地心说”的十七世纪以前的人们来说,一个很自然的推理就是:

其他天体也有卫星?不存在的!因为所有天体都是绕着地球转的嘛!

彼时虽然哥白尼的日心说已经提出,但还远远没有得到广泛的认可。

1609年,可以说是人类天文学史上里程碑式的一年,有两件大事推进了日心说的发展:

一件是开普勒在《新天文学》一书中正式发表了关于行星运动的前两条定律,证明行星都是在绕着太阳运转。不过,这些复杂的公式和轨道对于那时候普通人来说,简直如同天书;而另一件大事就不一样了——这一年,伽利略用他改造的望远镜开始观察月球和其他天体的细节,在1609-1610年期间,他发现了木星最大的四颗卫星(直径约3000-5000公里)。

如果所有的天体都是围绕地球转的,那这四颗围绕木星运转的天体又算啥?

于是,这个石破天惊的观测事实成为了打脸地心说的最直接的证据。这四颗木星最大的卫星也因此被称为“伽利略卫星”

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

(左)伽利略在1610年出版的《星际信使》一书中绘制的四颗伽利略卫星;(右)四颗伽利略卫星的样子(位置并不是它们实际的轨道位置)。
来源:维基

当然,至此之后行星各自拥有它们的卫星就不再让人惊讶了,随着望远镜越来越给力 ,天文学家们陆续发现了木星和土星的新卫星并加以命名(因为木星的英文Jupiter是罗马神话中众神之王朱庇特,也就是希腊神话中的宙斯,因此木星卫星的英文名就自然地以宙斯/朱庇特的恋人或者后代的名字来命名了,不过在翻译成中文的时候,我们通常按照这些卫星的发现顺序来直接称之为“木卫n”)。

 内卫星:空间探测器大显身手


在四颗伽利略卫星到木星的轨道之间,目前还知道有四颗个头比较小的卫星(直径约在20-200公里),叫做“内卫星”

这四颗内卫星里除了最大的那颗木卫五是美国天文学家爱德华·巴纳德于1982年通过望远镜发现的之外,其他三颗都是1979年旅行者1号和2号探测器相继飞过木星系统的时候发现的。

不同于望远镜只能看到的一个小亮点,探测器甚至可以直接就拍到卫星表面的细节。

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探测外太阳系四颗行星及其卫星系统的旅行者1号和2号探测器,它们在1979年相继飞掠木星系统。
来源:NASA

再后来,伽利略号探测器探访木星系统的时候,又近距离给这几颗内卫星拍了更清楚的“身份照”。

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伽利略号拍摄的四颗木星内卫星。
来源:NASA

不规则卫星:拐来的孩子数不清


但不管是伽利略卫星还是内卫星,它们都是木星的规则卫星,什么是“规则卫星”呢?我们可以把它们理解成是和木星“有亲缘关系”的卫星。按照我们目前的认知,如果一个卫星是和行星差不多时候形成的,那么这个卫星的轨道应该非常“周正”:轨道形状近似圆形,轨道面基本在行星的赤道面上,而且卫星运行的方向和行星的自转方向相同(这叫“顺行轨道”,相反的话,当然就是“逆行轨道”咯)。

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

规则卫星的轨道特征。
制图:haibaraemily

然而,当天文学家们发现越来越多的木星卫星的时候,也同时发现,并不是所有的卫星轨道都这么“周正”的。只有距离木星很近的8颗比较周正,而那些离得远的,都没这么规律。

1904和1905年,美国天文学家珀赖因发现了木卫六(Himalia)和木卫七(Elara),它们虽然还是顺行的,但是轨道面远远偏离了木星的赤道面,轨道形状也比较椭圆。

1908年,英国天文学家梅洛特发现了木卫八(Pasiphae);1938和1951年,美国天文学家尼克尔森发现了木卫十一(Carme)和木卫十二 (Ananke),这三颗卫星的轨道就更奇怪了,他们不仅轨道形状椭圆、远远偏离了木星的赤道面,而且它们还是逆行的!

这样的“不规则卫星”,多半就不是木星的“血亲”了,而是木星系统成型之后,一些小天体飞过木星附近时又因为木星巨大的引力而被“拐(捕)来(获)”的。

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

不规则卫星的轨道特征。
制图:haibaraemily

再然后,天文学家们又发现,这些不规则卫星里,有些是会“抱团”的。每一小簇卫星有相似的轨道,然后不同簇之间轨道又很不一样。这说明,这里可能原本有几颗大得多的卫星,后来被撞碎了,而这些小卫星就是撞击之后幸存下来的碎片。它们虽然“身体”分开了,但轨道还是彼此相似的。

于是,按照轨道的相似性,天文学家们又把木星的不规则卫星分成了四个族,按照每种里面最大的那颗卫星的名字命名为:希玛利亚族(Himalia,顺行)、帕西淮族(Pasiphae,逆行)、阿南刻族(Anake,逆行)、卡梅族(Carme,逆行)卫星

不过,偶尔还是有几颗不抱团,独享一个轨道的卫星。

为了区分这几种类型的不规则卫星,天文学家们在取名的时候也动了一点小心思:

顺行的以a结尾,逆行的以e结尾,与众不同的以o结尾

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木星卫星的位置和分类示意图。
制图:haibaraemily

作为“外来户”,太大、太重的小天体都很难被捕获,所以大部分不规则卫星都个头非常小。这就意味着,天文学家们很难用望远镜或探测器发现这些不规则卫星。

(之前那么多被随随便便就发现的卫星是因为什么呀?当然是因为大啊!)

而到2000年,人类一共发现了18颗木星卫星…直径10公里以上的卫星基本已经全部被扫荡了

那么人们还能不能找到更小的卫星呢?

就在这时,火眼金睛的“星探”——Scott Sheppard出场了[2]。这位大咖2004年从夏威夷大学天文学博士毕业之后,基本上只专注于一件事儿——搜寻外太阳系新天体(当“星探”)。

在2000-2011年间,Sheppard带领的团队一共发现了40多颗超级小的木星卫星,是同时期其他所有团队加起来的四倍多……这些小卫星直径基本都在1-4公里之间,绝对能称得上“慧眼识星”了!

除了木星卫星,他们还发现过一众土星、天王星、海王星的卫星和其他外太阳系天体(多到数不过来)。简而言之,这哥们就是个“追星专业户”。

说起来,这次发现的一打新卫星,其实也纯属偶然——因为Sheppard团队原本想找的是传说中的太阳系第九大行星Planet X

新发现的不规则卫星:失之东隅,收之桑榆


时光切回到2014年前后,那时候外太阳系大搜寻中最火的是什么?可能是搜寻海王星外大天体。

2003年,加州理工大学的Brown团队发现了直径约1000公里的矮行星Sedna,不仅轨道极其椭圆,而且即使是近日点也远远大于冥王星到太阳的距离了,当时的人们以为Sedna是一个另类。

哦对了,这里要插播一下,麦克·布朗(Brown)这哥们值得你们把名字记下来,正是2003年发现的Sedna和同样是他们组2005年发现的阋神星,让2006年的国际天文联会(IAU)对重新定义了“行星”,导致冥王星被开除出九大行星之列。2010年,“冥王星杀手”麦克·布朗童鞋还根据这段经历出版了一本畅销书《我是如何杀死冥王星的》。

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

图:《我是如何杀死冥王星的》封面。
来源:book.google

然而到了2012年,Trujillo和Sheppard团队[3]发现了直径在500公里左右,轨道也一样奇特的2012 VP113,还进一步发现,Sedna和2012 VP113的轨道在近日点附近有聚拢趋势,这一成果于2014年发表于《自然》杂志。

这一发现意味着这两个天体可能受到了某种“拉力”的影响,而Trujillo和Sheppard团队可能是最早意识到外太阳系可能有个尚未发现的巨大天体存在的团队

再然后,到了2016年,Batygin和Brown团队[4]一口气分析了6颗海王星外大天体的轨道——Sedna,2004 VN112,2007 TG422,2010 GB174,2012 VP113,2013 RFS98…然后发现,这6个大天体也并没有完全在“乱飞”,还是在近日点附近有聚拢趋势——这就不太可能是巧合了。

于是他们放胆推测,可能是一个之前未被发现的遥远的巨行星的引力在影响这些天体的轨道——这个行星被称为Planet X或者Planet Nine。Batygin和Brown团队通过估算认为Planet X质量约有10 个地球质量,平均距离约为海王星到太阳的20倍,轨道周期约1-2 万年。

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图:6颗海王星外大天体的轨道在其中一个近日点有明显的聚拢趋势,这被认为是尚未被发现的“第九大行星”的影响。来源:维基

但这只是理论上的存在而已,压根就没有被观测到过。为此,卡内基研究所的Sheppard、夏威夷大学的Tholen、北亚利桑那大学的Trujillo等天文学家们(当然也有麦克·布朗团队)都紧锣密鼓地投入了巡天搜索(翻来覆去还是他们几个…)。

嗯,但直到现在,他们还没有找到传说中的Planet X。

幸运的是,在2016-2017年期间,当Sheppard小组在Planet X可能出现的区域里搜寻的时候,意外发现木星刚好也在他们的搜寻范围附近,于是他们顺便搜寻了一下木星的新卫星,然后,一下子发现了12个…

不过,发现的卫星到底是不是新的、又是不是真的在绕着木星转,这些都需要反复核查轨道之后才能确认——这项工作花了一年多时间。

而且,其实这12个新卫星中,其中2颗在2017年已经完全得到了确认[5],所以严格来说,这次新发现的只有10颗

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图:位于智利的托洛洛山美洲际天文台和4米口径的布兰柯望远镜,这次发现的新卫星大多数都是由这台望远镜发现的。此后,多台望远镜都加入了确认新卫星的行列,包括位于智利的拉斯坎帕纳斯天文台6.5米口径的麦哲伦望远镜,位于美国亚利桑那州的罗维尔天文台4米口径的探索频道望远镜,位于夏威夷的日本国立天文台8.2米口径昴星团望远镜,夏威夷大学2.2米口径的望远镜和夏威夷8米口径双子星望远镜。
来源:维基

 特立独行的卫星Valetudo:沧海遗珠?


这次新发现的12颗木星新卫星也都非常袖珍,几乎全部只有1-2公里大小。其中2颗位于距离木星比较近的轨道上,差不多将近一年可以环绕木星转一圈,它们的轨道完全符合顺行轨道的希玛利亚族卫星的特征,因此应当也是来自同一颗天体的碎片。另外9颗位于距离木星比较远的轨道上,差不多每两年可以环绕木星转一圈,它们的轨道完全符合逆行轨道的三拨卫星帕西淮族、阿南刻族和卡梅族卫星的特征,因此应该也分别来自原本的三颗大天体的碎片。

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本次新发现的11颗“平平无奇”的木星卫星。
制图:haibaraemily

然而,除了这11颗“平平无奇”的卫星之外,还有1颗新卫星非常与众不同。

这颗卫星非常小,直径不到1公里,可能是目前的木星卫星中最小的一颗。更奇怪的是,它的轨道时不时会和一大批逆行卫星的轨道相交,然而它自己却是顺行的!这个危险程度相当于每过一段时间就要开上疾驰的高速公路然后还反方向发足狂奔…可以想见,这样一颗卫星应该是已“活不多时”,早晚有一天,它会被某一颗迎面而来的卫星完全撞碎,化为齑粉。

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

本次新发现的12颗木星不规则卫星分布,注意新发现的Valetudo是以字母o结尾的,用于表明它是木星的不规则卫星中轨道特立独行的一类。来源:DTM[1]

然而,这颗卫星的发现却意义重大。

这意味着,木星的外围很可能曾经有过更多更大的顺行卫星群,只不过后来它们都被撞碎而消失了,只剩了这唯一的一颗沧海遗珠,在无声地诉说着它们曾经存在过

而如果这颗注定短命的卫星早上几百万年被撞碎,那今天的我们或许就永远没有机会知道这些了。

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

2018年5月,智利6.5米口径的麦哲伦望远镜再次确认观测到卫星Valetudo,两张图对比可以看出,在完全一样的背景中,亮点Valetudo向左移动了一点点。来源:DTM[1]

这些新发现的卫星都还没有得到正式的命名,还需要由发现者提名,然后由国际天文联合会IAU最终确认和批准。不过,Sheppard团队已经早早地为这颗宝贝珍珠取了个暂时的名字:Valetudo(注意是以o结尾的哦),她是罗马神话中的健康与卫生女神,朱庇特的重孙女。

遥远的外太阳系里,还有许多天体尚未被发现,大到神秘的传说中10个地球质量的第九大行星,小到直径不足一公里的卫星和彗星,它们还会给人类带来怎样的惊喜和震撼呢?

木星:一觉醒来多了12颗卫星是一种怎样的体验?

至于一觉醒来多了12颗新卫星的木星本尊,此刻情绪应该非常平静——“反正我一直都是卫星最多的啊!”

参考文献:

[1] https://carnegiescience.edu/node/2367

[2] https://dtm.carnegiescience.edu/people/scott-s-sheppard

[3] Trujillo, C. A.,& Sheppard, S. S. (2014). A Sedna-like body with a perihelion of 80astronomical units.Nature,507(7493), 471.

[4] Batygin, K.,& Brown, M. E. (2016). Evidence for a distant giant planet in the solarsystem.The Astronomical Journal,151(2), 22.

[5] http://www.astronomy.com/news/2017/06/jupiters-new-moons

[6] https://sites.google.com/carnegiescience.edu/sheppard/moons/jupitermoons

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