天文太空

太陽系裡的搞怪衛星

有著拉長、斜傾而又糾纏不清的軌道,這群行徑乖張的衛星,為行星形成的研究開啟了另一扇窗。

撰文/傑維特(David Jewitt)、謝柏德(Scott S. Sheppard)、克萊納(Jan Kleyna)
翻譯/曾玠郡

天文太空

太陽系裡的搞怪衛星

有著拉長、斜傾而又糾纏不清的軌道,這群行徑乖張的衛星,為行星形成的研究開啟了另一扇窗。

撰文/傑維特(David Jewitt)、謝柏德(Scott S. Sheppard)、克萊納(Jan Kleyna)
翻譯/曾玠郡

土星最大的不規則衛星-土衛九,表面坑坑疤疤且佈滿冰岩。

約莫五年前的一個多雲夜裡,傑維特與謝柏德在夏威夷茂納開亞火山的山巔上,為消磨時間而打了個賭,賭這太陽系裡還有多少顆衛星沒被發現。傑維特押了100美元當賭注說,就算用專門的望遠鏡來找,頂多也只能再發現10顆。他的理由是:畢竟在整個20世紀裡,天文學家也才找到了幾顆而已。而謝柏德則樂觀地預測,若新式的天文設備能更靈敏的話,便能再找著20多顆新衛星。

謝柏德現在是有錢人了。自從那一夜起,我們的團隊已找到62顆環繞著巨行星的月亮,並且還有更多顆在等著確認;而別的團隊也發現了另外24顆。(以精確的天文術語來說,它們該是「衛星」而非「月亮」。只有繞著地球的那顆衛星才是月亮。但就連天文學家也慣用這種通俗的講法。)從來就沒有人認為,太陽系的家族裡還有那麼多不為人知的成員。它們被歸類為「不規則衛星」,因為它們的運行軌道又長又遠且極為橢圓,甚至不在其母行星的赤道面上。而所謂的「規則衛星」,就像是地球的月亮或木星的伽利略衛星群,有著較緊密、較圓且幾近赤道面的軌道。

更詭異的是,大部份的不規則衛星都是逆行的,意即它們繞行的方向與母行星的自轉方向相反。但規則衛星卻都是順行的。舉例來說,若從地球的北極向上望去,我們的月亮是逆時針方向運行的,與地球自轉和繞日公轉的方向一致。其他的行星也是呈逆時針的方向運轉,這種模式或許反應出塵氣盤在45億年前的旋轉方向,而塵氣盤正是行星誕生的地方。因此天文學家認為規則的衛星也該是順行的,因為它們源自於環繞其母行星的星盤,而不規則衛星的反常行為正告訴我們,它有著不一樣的起源。

不規則衛星的行為無法以一般的標準模型來解釋,因此另一波新的理論研究即將到來。這些天體似乎是年代久遠的產物,當時新生行星的重力將小天體從它的原始軌道上驅離(或捕捉)。因此研究它們將可一窺太陽系初期的原始樣貌。

衛星中的異類

雖然早在1846年就已發現到第一顆不規則衛星(海王星的海衛一),但它們的體型較小,所以比起一般的規則衛星來得更顯昏暗,因此直到最近才有更進一步的觀測。由於它們在太空中分佈極廣,所以難以觀測。譬如木星最外圈的規則衛星木衛四,其軌道與木星的距離大約為190萬公里,但木星已知的不規則衛星卻遠在3000萬公里之外。這距離差不多就是木星重力所能達到的勢力範圍(也就是所謂Hill球的範圍),在此範圍以外,任何衛星都會落入太陽的掌控。若能以肉眼觀察的話,木星Hill球的角直徑大約有10度,是滿月的20倍。這樣的廣度實在超越現今大多數望遠鏡的可視範圍。

想在如此寬廣的區域內掃描衛星,就得靠最新、最大的數位探測器,它一個晚上能分析大約1000億位元組的資料量(見36頁〈星空尋寶〉)。我們自己的夏威夷衛星探測計畫,一開始便將焦點放在木星上,因為其鄰近的區域較適合我們探尋小衛星,而其他繞行著遙遠巨行星的衛星則暗到無法觀測。由加拿大卑詩大學的葛萊德曼(Brett Gladman)、美國哈佛史密森尼天文物理中心(CfA)的霍爾曼(Matthew Holman)以及加拿大國家研究委員會(屬於加拿大赫茲柏天文物理研究所)的卡弗拉斯(J.J. Kavelaars)個別領軍的團隊,則負責勘察土星、天王星和海王星。

這四顆巨行星,無論質量大小,都有著類似的不規則衛星系統。以目前的發現用外插法來推算,我們估計出每顆巨行星大約有100顆直徑超過一公里的不規則衛星。這些星體的尺寸分佈極廣,但小型衛星的數量遠比大型衛星要來得多。舉木星為例,其最大的不規則衛星是木衛六,直徑約為180公里,但最小的衛星直徑卻只有1~2公里而已。

這些衛星軌道的複雜度在太陽系當中算是數一數二的。因為它們離母行星較遠,所以同時受到行星與太陽重力的吸引,它們的軌道進動也十分快速──因為橢圓的長軸越長,繞行速度就越快。它們的繞行速度快到甚至無法將路徑精確畫成封閉的圈,而且環繞軌跡也很奇特,簡直就像是小孩玩旋轉繪圖盤時畫出來的圖。

宇宙的多樣性

當各種不同的影響因素同時作用在衛星上時,情況將會更形複雜。舉例來說,如果進動速率與其母行星繞行太陽的速率一致時,此衛星便是處於「出差」(evection)共振態。而太陽那不明顯的重力效應會隨著時間而累積,使衛星軌道逐漸變得不穩定。橢圓形的軌道會漸漸被拉長,致使衛星最後不是撞上自己的母行星(或其他較大的衛星),就是逃出Hill球的範圍,而落入太陽重力的掌控。因此順行的軌道會比逆行軌道更加脆弱。若順行與逆行的不規則衛星數量原本是平均分佈的話,那麼此共振態便可以解釋為什麼現在大部份的不規則衛星都是逆行的。

另一個稱為「古在共振」(Kozai resonance)的共振態,同時考慮了軌道的傾斜度與形狀的因素。在傾斜面上運行的衛星,軌道會非常橢圓,使它們更加容易逃脫或是遭致毀滅。這或許也是在視角50~130度間找不著衛星的原因。簡言之,現今我們所觀察到的不規則衛星,應是重力作用下僥倖逃過一劫的生還者。

然而軌道的其他特性還有賴重力以外的因素來幫忙,像是同一族群的衛星具有相似的軌道。例如木星的衛星群中,有多到由17顆衛星組成的。最直接的解釋就是,每個族群成員均為某顆較大衛星的一部份,因受到衝撞而碎裂開來,並繼續沿著原先的軌道運行。倘若如此,今日我們所見到的大多數不規則衛星就是第二代,是由原先的衛星所分離出來的。

科羅拉多波爾德市西南研究所的聶斯瓦尼(David Nesvorny)與同事為衛星受創分裂建了一套清楚的模型。他們發現,今日的衛星已很少遭到另一顆衛星或彗星這類行星間天體的撞擊。因此衛星群的存在表示,早期不規則衛星或彗星的數目,都遠大於今日所見,而且碰撞也較為頻繁。

除了研究軌道以外,天文學家也利用不規則衛星的其他性質,來做更進一步的了解。大部份的衛星都過於晦暗,以致於我們無法明確得知其組成成份。然而CfA的格拉夫(Tommy Grav)和聖母大學的瑞提格(Terry Rettig)卻發現,同一個衛星群的衛星都有著相似的顏色。顏色反應出組成成份,因此這樣的發現意味著其組成的相似性,也更進一步支持族群成員是昔日巨大母星體碎片的想法。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2006年第55期9月號】