天问 - 这个太阳系出现的新行星环 “就像正午突然天全黑”

封面新闻记者 张峥

距离产生美，天体间也不例外。一旦突破距离，像苏梅克－列维9号那样，彗星撞木星的“惨剧”就发生了。

大火的《流浪地球》系列不断在给科幻迷们灌输一个天体物理学概念：洛希极限。天体之间保持安全距离大家就相安无事，要是安全距离被打破，那么地球就会被木星潮汐力撕碎；那么两个天体间的距离在几倍于洛希极限距离之外呢？2月8日，一篇《自然》论文描述了天文学家此前一次奇特的发现。通过掩星观测手段，科学家们发现太阳系一颗名叫创神星的矮行星不仅有一个环，且它的环与母星间的距离超过了7个行星半径，即洛希极限的两倍多。

那么问题来了，7倍多行星半径已经远大于创神星的洛希极限——“本来只应该在洛希极限以内才会出现的的环，却出现在超出了洛希极限2倍的位置，这个现象让科学家们疑惑，不过这并不能说明洛希极限这个理论受到了挑战。”南京大学天文与空间科学学院教授、博士生导师周礼勇向封面新闻表达了他的观点。

出人意料：洛希极限外 看到行星环

洛希极限指天文学中一个特殊的距离，1848年，由法国天文学家和数学家爱德华•洛希提出。卫星绕行行星时受到行星引潮力的作用，对卫星形成“拉扯”，在一个特定的距离上，这个使卫星趋于破裂的拉扯力量和使得卫星保有原来形状的自引力相当，这个位置即为洛希极限。

“如果知道两个天体的质量和大小，就可以计算洛希极限的位置；在合理假设行星和卫星的密度的情况下，洛希极限可以换算成行星半径的某个倍数值。”洛希极限是一个安全距离。如果两个天体之间的距离小于洛希极限，较大天体的潮汐力可以将较小的天体撕碎，产生的碎块可能会形成环状带，围绕较大天体运转。“假设在洛希极限以外由于某种偶然的原因有个环，比如原本有个卫星被其他天体撞击破碎成为环，这些环上的碎块颗粒在绕行行星的过程中总会有碰撞，这一类型的碰撞，将会使得它们相互粘附、堆积，越来越大，在很短的时间内长成一个卫星。因而在洛希极限之外我们基本是没有机会看到环的，这就是此次的发现出人意料的原因。”周礼勇解释。

是否挑战洛希极限理论？

创神星半径大约 500公里，距离地球大概有70亿公里，因而既小又暗，对它的观测很难。天文学家们想到了一种办法——掩星观测。因为创神星相对于地球在天空中是移动的，在移动过程中就有机会遮挡住遥远距离上的恒星，这种遮挡叫做“掩星”。人们通过地面的望远镜记录它遮挡恒星的时长，如果再乘以它运行的速度，就可以计算创神星的大小。“如果地面不同的位置有多台望远镜同时观测，人们甚至能够描绘出创神星在被掩食的恒星光线照耀下在地面投下的影子，因而能描绘出它的形状（剪影）。”正是在对创神星进行的掩星观测的中，科学家们发现了创神星周围的这个环——因为环也能遮挡被掩食恒星的光，因而也被掩星观测的望远镜所记录。

让科学家们兴奋的是，这个行星环和母星之间的距离远远超过了洛希极限。这个发现是不是挑战了洛希极限的理论？对此周礼勇表示“洛希极限的理论是基于清晰而明确的物理图像，无论这个环在哪里，都不对洛希极限的理论构成挑战。恰恰相反，人们之所以觉得这个环‘奇怪’，就是因为它不符合洛希极限的预测。换句话说，洛希极限的预测是对的，这个环之所以出现在这样的位置，一定有特殊的原因。”

他打了个比方，“正午十二点天一定是亮的”，这是一个真理；“我有一天发现正午12点天居然是黑的，不是怀疑前面那个真理，而是去找导致今天天黑的特殊的原因——比如正好碰到日全食了。”

哈勃望远镜拍摄的创神星和它的卫星（左侧小亮斑）

为什么创神星星环会出现得那么远？三种推测

那为什么创神星的星环会出现在这么远的地方？周礼勇表示，科学家们推测，可能有几种情况：

一是它的周围原本有一个卫星，被撞碎了，形成了一个临时的环，正好就被观测到了，这样的事件发生的几率极低，天文学家一般不做这样的假设。

还有一种可能性较低的情况是构成该环的颗粒具有很特殊的性质，它们之间的碰撞几乎都是弹性碰撞，因而不能成长为卫星。最后一种可能就是“共振机制”提供了这个环长久存在的条件。所谓“共振”，简单地讲就是一个系统中两种运动的周期之间有简单的比例关系。具体到创神星这个系统，第一个可能的共振是这个环绕行创神星的轨道周期恰好是创神星自转周期的3倍；另一个可能的共振是创神星的卫星维沃特（Weywot，或称“创卫一”）绕行轨道周期大概是环的周期的6倍。共振的作用，一是可以将环约束在空间上的特定范围，二是使得环上的颗粒保持较大的相对运动速度，而较大的相对速度进一步使得颗粒间的碰撞是破坏性的，阻止了环上颗粒通过碰撞成长为卫星的情况发生。共振的上述两种作用，共同维护了这个环的长久存在。

“无论是何种情形，创神星这个新发现的环都为人们打开了一扇更深刻理解太阳系的窗口。”

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