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地球的卫星,不止月球这一颗?

问大家一个问题:地球有多少颗卫星?当然,我说的是天然卫星,不考虑人造卫星。


提醒一下哦,这个问题有陷阱。


答案是一个——月亮。简单吧?但换个角度想:如果换一下参考系,看看地球周围,答案更像是7个。如果思路再开阔点,数量只会更多


怎么会这样呢?要解释明白,我们得先说说准卫星和马蹄形轨道的概念。


轨道力学这门学科相当奇怪。如果只有两个天体,例如一颗行星围绕一颗恒星运行,问题就会简单很多。前者的轨道可能是圆形或椭圆形(拉长的圆)或另外几种数学形状。绕恒星运行一圈花费的时间被称为行星的轨道周期,它往往保持不变。(在圆形轨道运行的行星速度保持不变,而在椭圆形轨道运行的行星距离恒星更近时速度更快,距离恒星更远时速度更慢)


此时,假设存在第三个天体,比如一颗小行星,也在围绕恒星运行。它的轨道同样可能是圆形或椭圆形。站在上帝视角来看,小行星和行星分别在不同的轨道上、以不同的速度和周期运行。


奇怪的地方来了。假设小行星的轨道尺寸与行星非常相似,但略偏椭圆一些。它在特定位置(近日点和远日点)与恒星的距离也刚好合适,就能使得它的轨道周期与行星的周期几乎完全相同。不仅如此,它在绕太阳运行时正好在行星附近。从上帝视角看,它和行星都围绕着恒星运行,转一圈经历的时间相同。小行星的运行速度有时比行星快,有时比行星慢,总而言之它的平均轨道速度与行星基本一致。


具体来说,当这颗小行星离恒星更远时,它的轨道也在行星之外,此时它的速度较慢,会逐渐落后于行星。一段时间之后,它会来到离恒星更近的位置,此时它的速度快过行星,就能逐渐追上并超过行星。之后它再度来到离恒星更远的位置,速度再减缓,如此往复。


到目前为止,这个故事听起来还很正常。但如果站在行星的角度,情况则大不相同——小行星似乎一直保持在行星附近,有时离太阳更近并向前运行,有时离太阳更远而向后运行。换句话说,这就像是小行星在围绕地球运转!


这听起来很像卫星的运行方式。然而,这只是站在行星视角上看到的一种假象,小行星实际上并没有围绕行星运行,而是在围绕恒星运行。只是小行星的运动恰好与行星的步调相近,使得小行星看上去是在绕着行星转。


我们可以用日常情景做一个类比,想象一下:你正在一条三车道上沿中间车道行驶,一辆车从左侧车道超车,随后连续变道到右侧车道,慢下来让你超过它,再变道到左侧车道并再次加速超过你。从你的视角看这辆车似乎在围绕着你开,而从路人视角看,它只是在左右变道,同时定期加速或减速。


具有类似轨道的天体被称为准卫星。它们并不是真正的卫星,因为它们实际上是围绕恒星运行而非行星。并且它们往往离行星太远,行星的引力无法俘获它们。


这才是开头的那个问题真正棘手的地方:地球就有几颗以这种模式运行的准卫星。


例如 469219 号小行星“振荡天星”(Kamo'oalewa),这颗小行星宽约 50 米,轨道周期为 1.002 地球年,公转周期仅比地球长约 17 小时。它的轨道略微偏椭圆,近日点和远日点比地球分别近和远大约 1500 万千米。它的轨道与地球轨道有较小的夹角,约为 8°。站在地球的视角来看,振荡天星就像是围绕地球运行一样,正如前文提到的“绕圈”的车。


振荡天星并不孤单,只是它的伙伴们总是不太一样。如果一颗小行星以类似的轨道运行,但位置足够领先地球,尽管它还是会因为离太阳的距离不同而加速和减速,却永远不会被地球超越。(这就像前文说的另一辆车在你前方很远的位置行驶,即使它不停加速减速,你也永远追不上它。)从我们的视角来看,这颗小行星似乎停留在天空中的特定区域内,而不是像真正的卫星那样绕地球旋转——小行星 2020 PP1 就是这样一种“不达标的”准卫星。


另一个古怪的例子是 3753 号小行星“克鲁特尼”(Cruithne)。这颗小行星绕太阳运行一周需要 364 天,也就是说它的轨道周期略短于地球。克鲁特尼的轨道形状相当椭圆,近日点相比地球(日地平均距离为 1.5 亿千米)近 7500 万千米,两者的差距是相当大了。克鲁特尼的轨道与地球轨道的夹角达到了 20°,与其他天体不同,克鲁特尼能够出现在地球相对太阳的另一侧,它偶尔也能接近到距离地球 1100 万千米的位置。


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图片来源:Jecowa/wikipedia


从地球上看,克鲁特尼并没有“围绕”地球运行,所以它不是一颗准卫星,实际情况更加奇特:从地球的视角看,它的运行轨迹形似一颗蚕豆,或者说马蹄,相对于地球和太阳的位置会随着时间变化而变化,大约每 770 年运行一圈。虽然目前已知的地球的“真正”准卫星只有七颗,但是地球附近有更多数量的小行星沿马蹄形轨道运行。


这些天体的轨道常常不稳定,行星的引力拖拽会改变它们。有时马鞍形轨道会变为准卫星轨道,反之亦然。


目前我们已知的“环绕”地球运行的小行星数量并不多。然而,如果这些天体的轨道形状随着时间的推移而改变,它或许能进入准卫星或马鞍形轨道,暂时成为地球的伴侣。


也不只是地球才有准卫星。金星有小行星 2002 VE68,它的轨道周期与金星几乎相同,被昵称为 Zoozve(背后的故事很有意思,一位插画师在绘制太阳系海报时,误把 2002VE 看成 ZOOZVE,后来这颗小行星的正式名称也就由此定名)。它几千年来一直是金星的准卫星,但它的轨道正在改变,很快就会离开金星。


尽管其他行星也可能有准卫星,但在地球上观测,它们距离我们太过遥远,不容易被发现。也许随着口径更大的望远镜开光观测,我们会发现更多这类奇怪的“假”卫星。


不过这种情况再次表明,过去人们深以为然的观念——行星和卫星的定义——比你想象的要更易改变。在科学研究中,我们尽量要避免过快地下定论,思考的时候要更加灵活。这样或许就会像准卫星一样,随着时间的推移,你的人生轨迹也会改变。



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