互动科普

太阳系里有一种离经叛道的卫星——大多数天体都沿着逆时针方向公转，它们偏偏要反其道而行之。它们也许经历过一段完全不同的成长史，讲述着太阳系早期不为人知的故事。

五年前一个多云的夜晚，本文作者朱维特和谢泼德在夏威夷的莫纳克亚山顶上，用打赌来消磨时间：太阳系中还有多少颗卫星有待发现？朱维特认为，整个20世纪，天文学家也不过偶然发现了一些。现在，专用于寻找卫星的望远镜搜索计划最多也只能找到10颗新卫星。他为此押上了100美元。谢泼德就乐观多了。考虑到现代天文设备的灵敏度已经有所提高，他预言的数量比朱维特的多了一倍。

现在，谢泼德成了大赢家。自那晚以来，我们的小组已经在巨行星（giant planet，太阳系中四颗体型庞大的行星，包括木星、土星、天王星和海王星）周围发现了62颗卫星，还有更多发现有待验证。另外，其他小组也发现了24颗。没人料到，太阳系大家庭中竟然暗藏了这么多成员。人们把这些小天体归为“不规则卫星”，也就是说，它们的轨道比较宽松（半径大）、比较扁长（椭率大），也比较倾斜（相对主行星的赤道平面而言，倾角大）。相对地，所谓的规则卫星则拥有相对紧凑的圆形轨道，所处的轨道平面与行星赤道大致平行（例如地球的月亮，或是木星那四颗巨大的伽利略卫星）。

更奇怪的是，大多数不规则卫星还拥有逆行轨道(retrograde orbit)——它们围绕主行星旋转的方向，与那颗行星自转的方向大致相反，而规则卫星都是沿顺行轨道（prograde orbit）运动。比如，我们从地球北极上方的某个位置向下俯瞰，就能发现月球是沿逆时针公转的——与地球自转、以及地球围绕太阳公转的方向相同。其他行星也都是按逆时针方向公转，这种规律大致反映出原始太阳系中气体尘埃盘旋转的方向。因为所有行星都是45亿年前，在这个物质盘中诞生的。天文学家认为，规则卫星之所以遵循这种运动规律，是因为它们是从行星周围的原始物质盘中聚积而成的。不规则卫星如此离经叛道，标志着它经历过一段截然不同的成长史。

标准模型无法很好地解释这些天体，新一轮理论研究正在进行之中。这些天体似乎比行星的年纪更大，出生在一个早已远去的时代。行星刚刚成形，它的引力就逼迫一部分小天体离开了原先的运行轨道，要么颠沛流离，要么被笼络过来，成了现在的不规则卫星。对不规则卫星进行的研究，必将为理解太阳系演化的那段早期历史带来一线曙光。

害群之马

早在1846年，我们就发现了第一颗不规则卫星——海王星的卫星海卫一（Triton），但大多数不规则卫星直到最近才被检测出来。因为与规则卫星相比，它们往往更小，因此也更加暗淡，而且在空间中的分布范围相当广，进一步增加了搜索难度。举个例子，木卫四（Callisto）是木星最外侧的规则卫星，轨道半径达到190万千米，而已知的不规则卫星最远可以游荡到距离木星3,000万千米的地方。这个距离与木星引力疆域(希尔球)的半径相当，换句话说，它已经走到木星控制范围的极限。一旦跨出希尔球（Hill sphere），太阳就会把它抢走。如果肉眼可见的话，木星希尔球在天空中的直径能达到10度——相当于满月角直径的20倍！对大多数望远镜的视场来说，这片区域实在太宽广了。

在如此辽阔的区域中搜寻卫星，需要用到最新最大的数码探测器，它 还要具备每晚分析多达10亿字节数据的能力。我们的夏威夷卫星巡天计划（Hawaii Moon Survey）最初专攻木星。因为木星的距离较近，能检测到许多小卫星。同样的小卫星如果围绕其他更为遥远的巨行星运转，就会非常暗淡，我们也无从发现它们了。加拿大英属哥伦比亚大学的布雷特·格莱德曼（Brett Gladman）、美国哈佛史密森天体物理中心（CfA）的马修·霍尔曼（Matthew Holman）和加拿大国家研究委员会赫茨伯格天体物理研究所的J·J·卡瓦拉斯（J. J. Kavelaars）已经领导着各自的小组，针对土星、天王星和海王星展开了类似的搜索。

事实证明，尽管质量大小有别，但所有巨行星都拥有类似的不规则卫星系统。从迄今发现的卫星数量推断，我们估计每颗巨行星都拥有大约100颗直径超过1千米的不规则卫星。这些天体的大小千差万别，其中“小个子”更为普遍。以木星为例，最大的不规则卫星——木卫六（J6 Himalia）直径约为180千米，而最小的卫星直径仅有一两千米。

这些卫星的轨道是太阳系中最令人费解的东西。它们能游荡到离主行星非常远的地方，因此会同时受到行星和太阳引力的拉扯。在两种力量的拉锯战中，这些卫星的轨道快速进动（precession）——也就是说，椭圆轨道的长轴发生了偏转。偏转的速度如此之快，以至于我们甚至无法用闭合的回路，精确地描述出卫星的运行轨迹。实际上，这些卫星画出了奇怪的螺旋形轨迹，就像是儿童玩具Spirograph绘制的图案。[译注：一种绘图玩具，由一个大圈套着一个小圈组成，小圈在大圈中滚动，固定在小圈上的点就能随着小圈的运动轨迹，勾勒出美丽的螺旋形曲线。]

宇宙共鸣

当林林总总的影响因素同时作用在卫星上，情况就变得异常复杂。举例来说，如果轨道进动的速率与主行星围绕太阳公转的速率一致，这颗卫星就处于出差共振（evection resonance）之中。平时影响力十分有限的太阳引力，在这种情况下会日积月累，破坏轨道的稳定；大大拉长轨道的椭圆形状，导致这颗卫星不是与行星（或者它的某颗大卫星）相撞，就是逃出希尔球，落入太阳引力的掌控。与逆行轨道相比，顺行轨道更容易受影响。因此，假如一开始，不规则卫星顺行和逆行的几率相等，那么这种共振就能解释，为什么现在大多数不规则卫星都是逆行的。

另一种共振被称为古在共振（Kozai resonance），它将轨道的倾斜与形状联系起来。对那些被拖到倾斜轨道之中的卫星来说，它们椭圆的轨道也会越拉越长。与出差共振一样，这种共振也可能导致卫星被抛射出去，或者走向毁灭。这也许可以说明，为什么观测者从来没见过轨道倾角介于50～130度之间的卫星。简言之，我们今天看到的这些不规则卫星，似乎都是引力相互作用的幸存者，而它们的同胞早已被这些相互作用扫荡干净了。

不规则卫星的轨道还有一些其他特性，需要引力以外的过程才能解释清楚。这些卫星分属不同的群（group）或族（family），同一群/族卫星的轨道相似。比如说，木星的一个卫星群，成员可以多达17颗。最直接的解释是，同属一群的成员卫星都是同一颗较大的卫星受到撞击之后，碎裂而成的残片。它们仍然沿着原先的轨道继续运行，形成一个卫星群。倘若如此，那我们今天见到的许多不规则卫星其实都是第二代卫星，已经与最初的卫星有所不同。

美国科罗拉多州玻尔得市西南研究院的戴维·内斯沃尔尼（David Nesvorny）及其同事，为卫星的碰撞瓦解建立了一个细致的模型。他们发现，今天已经很难看到卫星与另一颗卫星相撞，或者撞上彗星这样的行星际天体。因此，卫星群的存在暗示了太阳系早期的一段历史。当时，不规则卫星或彗星的数量远远超过现在，碰撞也会频繁许多。

除了从不规则卫星的轨道中获取信息，通过分析它们的其他属性，天文学家也取得了一些进展。大部分不规则卫星都非常暗淡，几乎无法透露任何有关它们化学构成的信息。不过，CfA的汤米·格拉夫（Tommy Grav）和澳大利亚圣母大学的特里·雷蒂希（Terry Rettig）发现，同属一群的卫星颜色趋于一致，而颜色是化学成分的代言人。这项发现暗示，这些卫星的化学构成相似——进一步支持了以前我们提到的观点：同属一群的成员卫星都是过去同一颗大卫星的碎片。

目前，天文学家只对极少数不规则卫星的细节有所了解，土卫九（Phoebe）便是其中之一。2004年6月，美国国家宇航局的卡西尼太空船拜访了土卫九。卡西尼拍摄了分辨率极高的图像，展示出土卫九表面层层叠叠的环形山；飞船还记录下卫星反射阳光的光谱，揭露了水冰和二氧化碳干冰的存在。旅行者2号（Voyager 2）探测器也曾拜访过海王星的两颗不规则卫星——海卫二（Nereid）和海卫一，探测到它们表面上覆盖的冰层。卫星上的冰块暗示，这些天体就像彗星一样，出生在相对远离太阳的地方。而木星的不规则卫星看起来漆黑一团，似乎完全不含冰块，这大概是因为它们距离太阳较近，比较温暖，冰块无法稳定存在。从这个意义上讲，木星的不规则卫星也许更像死亡的彗星，它们的挥发性物质已经在岁月中流失殆尽。

力擒卫星

不规则卫星的性质，特别是逆行的轨道暗示出，它们现在所在的地方并不是它们的诞生地。实际上，不规则卫星

一定跟小行星或彗星一样，是残存下来的行星建筑原料，最初围绕太阳运转，后来不知何故被行星俘获了。理解俘获发生的过程并非易事。在太阳和行星引力复杂的拉锯战中，小行星和彗星常常会被拖入一条临时轨道，暂时围绕巨行星旋转。这种临时的俘获过程就像秋天的旋风卷起片片落叶一样——落叶被卷入旋风，或许会跟着盘旋飞舞几十圈，然后以一种不可预知的方式飞离旋风。

著名的彗星“D/舒梅克-列维9号”（D/Shoemaker-Levy 9，前面的字母“D”表明这颗彗星已经死亡）就是这种俘获行动的明证之一。20世纪，它闯进一条围绕木星旋转的临时轨道，并在1994年撞上了这颗行星。假如它没有过早夭折，这颗彗星也许会在几百年内，重新回到日心轨道（heliocentric orbit，也就是围绕太阳运行的轨道）。天文学家已经发现了几个天体，它们成功摆脱了木星的临时俘获，又重新回到围绕太阳运行的轨道上。

如果一个天体想要永久脱离日心轨道，在行星周围稳定的轨道上安家，那它就必须舍弃一部分初始能量。这个天体必须从根本上减慢速度，才能防止再度逃脱。在今天的太阳系里，没有哪种有效的能量消耗过程能够帮得上忙。因此，俘获卫星必定是很久以前发生的事，当时太阳系的性质与今天完全不同。20世纪70年代，理论学家提出了三种可能的机制。它们都只有在行星形成时期，或者行星形成之后不久，才能发挥功效。

第一种机制由当时仍在美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的詹姆斯·B·波拉克(James B.Pollack)和约瑟夫·A·伯恩斯(Joseph A. Burns)以及美国康奈尔大学的迈克尔·E·陶伯(Michael E. Tauber)发展而成。这种机制声称，处于胚胎阶段的气体巨行星大气层体积庞大，卫星经过大气层，就会因摩擦而损失能量。与地球及其他类地行星(terrestrial planet)不同，木星和土星最初主要由氢和氦构成。巨行星的形成过程很可能是这样开始的：一个大约10倍地球质量的岩石和冰质核心，从围绕在年轻太阳周围的原始物质盘中，吸取了数量庞大的气体。在这些行星稳定下来，形成今天这种相对紧凑的形态之前，它们也许经历过一个短暂的膨胀阶段。在此期间，行星大气层向外延伸的距离是今天大气层半径的百倍以上。

在小行星或彗星穿越大气层的过程中，体积上的差异将带领它们走向三种截然不同的命运。如果体积太小，它会像流星那样，在膨胀的大气层中燃烧殆尽。如果体积太大，它会冲破阻力、扬长而去，围绕太阳继续自己的旅程。增一分则长，减一分则短，只有大小刚好，它才会适当减速，被行星收入麾下。这个过程就像天然的“高空大气制动程序”（aerobraking procedure），这种技术已经把许多行星探测器送入了环行星轨道。

这种气阻模型（gas-drag model）存在一个问题：它无法解释天王星和海王星周围的不规则卫星。这两颗行星并非气态巨行星，而是冰质巨行星——主要由岩石和冰块构成，外面包裹的氢氦包层相当有限。对早期太阳周围的物质盘来说，越靠近外侧，物质密度也就越低。天王星和海王星距离太阳更远，因此，为了达到引发气体迅速坍缩所必需的临界质量，核心耗费的时间就更长。不过在此之前，太阳星云（solar nebula，太阳系是由一团星际气体云坍缩而成，这团气体云就被称作太阳星云）早已烟消云散，因此，天王星和海王星从未像木星和土星那样，有过体积庞大的大气层。如果不存在大量气体，气阻过程又怎么能发挥作用？

三体俘获

第二种方法同样作用于行星的成长阶段。气体在气态巨行星核心上的吸积过程，将以一种自我增强的方式，使行星的质量一路飙升，导致行星周围的希尔球半径急剧增大。在行星飞速成长的时期，那些倒霉的小行星和其他天体如果刚好从行星附近经过，就会被行星突然增大的引力疆域牢牢圈住。当时同在美国加利福尼亚州理工学院的托马斯·A·黑彭海默（Thomas A. Heppenheimer）和卡罗琳·波尔科（Carolyn Porco）最先阐述了这种俘获机制，还给它起了一个有些令人困惑的名字——下拉俘获（pull-down capture）。

不过，与气阻模型一样，这种机制在解释天王星和海王星周围的卫星时也束手无策，因为这两颗行星都不曾经历过质量飞速增长的时期。大多数模型指出，这些行星的成长速度极为缓慢，是由小行星和彗星大小的天体一点点聚集起来的。它们或许需要上千万年，甚至好几亿年，才能成长到今天的大小。要让下拉俘获有机会大显身手，成长时间就必须非常短——即便是木星和土星，也必须在大约一千年之内，迅速成长起来——这让许多理论学家一筹莫展。针对天王星和海王星的形成过程，美国华盛顿卡耐基研究所的艾伦·博斯（Alan Boss）曾经提出另一种模型：它们的质量最初与木星和土星相当，后来在邻近大质量恒星的致电离辐射（ionizing radiation，足以使氢原子电离的高能辐射）照耀下，才逐渐缩小到现在的大小。这种模型似乎更难解释不规则卫星的存在。因为一颗逐渐缩水的行星无法紧紧地攥住卫星，反而更容易失去它们。

在气阻和下拉两种模型之中，不规则卫星都是在太阳系历史的早期被俘获的，也许当时连地球都还没有成形。1971年，当时同在CfA的比皮·科隆博（Bepi Colombo）和弗雷德·富兰克林（Fred Franklin）提出了第三种完全不同的模型。他们指出，如果两个天体在一颗行星的希尔球内部发生碰撞，那么，这起“事故”将消耗足够的能量，使其中一个天体落入这颗行星的掌控。也许因为现在这样的碰撞已经极为罕见，所以，“三体俘获”（three-body capture）的想法在过去35年中，一直没有得到多少关注。

不过，最近的研究表明，天体之间完全没必要发生碰撞，只要有引力相互作用就可以了。假如它们能交换能量，一个天体就能从其余天体那里获得能量。这一过程就像放大的引力弹弓效应（gravitational slingshot effect），太空任务的规划者经常借助这种效应，为深空探测器加速。今年5月，美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的克雷格·阿格纳（Craig Agnor）和马里兰大学的道格·汉密尔顿（Doug Hamilton）提出了另一种形式的三体俘获模型：行星的引力拆散了一对双星［译注：这里的双星特指两颗相互绕转的小天体］，其中一颗子星被抛射出去，而另一颗则被拖入轨道，成为行星的卫星。

行星迁徙

三体俘获模型可以解释最新的发现：所有四颗巨行星都有一大批不规则卫星随行左右。这种俘获过程对气态和冰质巨行星同样有效。它既不需要庞大的气体包层，也不需要行星飞速成长；它需要的所有条件，只是在靠近行星的地方，有足够数量的小天体发生碰撞，或者彼此间擦身而过。这类相互作用最有可能发生在行星形成阶段的末期前后。当时希尔球已经成长到现在的大小，而行星形成过程中残留的碎屑还没被扫荡干净。三体俘获也许能够解释，为什么每颗巨行星都拥有数量大致相同的不规则卫星：尽管天王星和海王星的质量不如木星和土星，但它们距离太阳更加遥远，因此，它们希尔球的大小都相差无几。

就算三体相互作用能够解释不规则卫星被行星俘获的过程，那么这些天体最初又是从何而来的呢？研究人员已经提出了两种截然不同的可能。也许，这些卫星最初都是小行星和彗星，在太阳系中凝聚而成，最终又在大致同一片区域被行星俘获。它们之中的大多数不是被行星本体吞并，就是被弹射到太阳系以外。不规则卫星其实都是幸运儿，它们既没有被吃掉，也没有被发配到空旷的星际空间中。

最近提出的一个模型提供了另一个可能。这种模型认为，直到行星形成约7亿年以后，太阳系中仍然充斥着碎屑。木星和土星之间强烈的引力相互作用，在当时达到了共振，整个太阳系都陷入了动荡。大行星向着它们现在所处的、更加稳定的轨道一路蹒跚走来。在这个过程中，数十亿颗小行星和彗星被驱逐到太阳系的各个角落。其中可能就有一小部分被行星俘获。这个模型是由法国蔚蓝海岸天文台(Observatory of Cote d’Azur)的K·钦加尼斯（K. Tsiganis）及其同事在去年提出的。根据模型，后来被驱散的大多数天体，最初都形成于海王星以外的柯伊伯带（Kuiper Belt）[参见《科学美国人》1996年5月号简·X·卢和戴维·C·朱维特所著《柯伊伯带》一文]。

总有一天，光谱测量将有能力检验这两种假说。如果不同行星拥有的不规则卫星成分不同，那测量结论就会支持第一种假说——卫星形成于最终俘获它们的主行星附近。如果它们拥有类似的成分，那么第二种假说将会更加可信，也就是说，它们是一起形成，后来才被驱散的。因此，这些卫星将告诉我们，太阳系是否真的经历过一段动荡的重整时期。

对不规则卫星系统的探索仍在继续。有两件事已经显而易见：首先，俘获这些卫星的过程一定发生在太阳系历史的早期，不是与行星的形成过程直接相关，就是紧随在行星之后形成。如今的太阳系根本提供不了任何适宜的机制，行星很难有机会俘获卫星。其次，太阳系外侧所有的大行星都拥有不规则卫星系统，它们的共同之处暗示，这些卫星是通过三体相互作用俘获而来，这是目前已知的、惟一一种对海王星和木星同样有效的卫星俘获机制。

就像是车祸之后，路面上留下的刹车痕迹，游荡在巨行星周围的不规则卫星为我们提供了引人入胜的线索，将过去那些我们永远无法亲眼目睹的事件，一点点呈现到我们面前。