為什麼土星有環，火星沒有？其實火星曾經有以後也有

來源：賽先生公眾號

題圖：火星環的藝術想像圖(來源：Tushar Mittal)小黑板

行星環：一些行星周圍存在有大量細碎的物質塊與顆粒彙集成環的形狀，環繞著行星，這就是行星環，它們像無數衛星的天然衛星一樣，集體繞著行星運轉，並保持環的形狀。

洛希極限：當一個天體圍繞另一個天體運動時，與後者中心的距離小到足以被後者撕碎時，這個距離就被稱為「洛希極限」。18世紀中葉，法國天文學家洛希首先研究了這個問題，因此以洛希來命名這個極限。有些理論認為，當一個衛星進入行星的洛希極限後，就會被撕碎為行星環。

太陽系中以環而馳名的星球是土星，木星、天王星與海王星也有環，這四個行星都是太陽系中的氣態巨行星。太陽系中另外四個大行星(水星、金星、地球、火星)都是固態行星，它們都沒有環。

不過，如果有人告訴你火星以前也有環，你可能會大吃一驚;如果有人告訴你火星的環在過去幾十億年多次變為衛星又變為環，現在的衛星——火衛一(Phobos)與火衛二(Deimos)——在將來還會變為環，你會更加驚奇。

那麼，憑什麼說火星以前也有環呢?這個環怎麼來的?它是如何與衛星實現互相轉變的?故事要先從火星現在的兩顆衛星說起。

火星的兩個衛星

火星的兩個衛星都很小，且形狀不規則。火衛一的平均半徑只有11.3千米，質量是月球的1000萬分之一。火衛一的軌道半徑(精確說，是半長軸)為9376千米，是火星半徑的2.76倍。

火衛二更小，其與三環內的北京城差不多大。平均半徑只有6.2千米，質量僅為火衛一的七分之一。火衛二的軌道半徑為23463千米，是火星半徑的6.92倍。

圖1。 火衛一(左)與火衛二(右)的近距離圖像(來源： NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)。

圖2。 火衛一、火衛二與火星距離的示意圖(圖片來源：Magenta Green/CC BY-SA 3.0)

儘管火衛一離火星很近，它的軌道半徑只有火星半徑的大約3倍(相比之下，月球的軌道半徑大約是地球半徑的60倍)，但因為它實在太小，使得火星上因為火衛一遮擋而導致的日食不可能為全食，而只能是偏食和環食，如圖3。由於火衛二更小更遠，因此它遮擋太陽導致的日食，其陰影比火衛一遮擋時更是小得多。所以我們要感謝月球的大小如此恰當、與地球的距離又如此恰當，使得我們有機會看到日全食。

圖3。 好奇號火星車拍攝下的火星日食，遮擋者為火衛一(來源：NASA)

火星衛星的起源

對火星這兩顆衛星的起源，此前人們長期以來爭論不休，有人認為這兩顆衛星是與火星同時形成的;有人認為它們是火星俘獲來的;有人認為是一顆較大的天體撞擊火星之後，散落到太空中的殘骸逐漸凝聚而成的。但前兩個模型都無法解釋火星衛星系統的特徵，最後一個模型雖然更加合理，但無法給出撞擊後形成衛星的細節。

2016年6月，比利時皇家天文台(Royal Observatory of Belgium)的Rosenblatt等人在《自然·地學》(Nature Geoscience)發表了一篇論文，他們用數值模擬給出了撞擊後形成衛星的過程。

根據這個新的數值模擬，在火星形成後1億年到8億年之間，一個大小為火星三分之一的行星撞擊了火星。

圖4。 原行星撞擊火星的藝術想像圖。(來源：Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS)大撞擊發生後，產生的一部分碎片被反彈到空中，形成環繞火星的環，其物質分布很廣，直到火星赤道上空很遠的範圍內。

根據環中物質與火星的距離，新形成的環分為內環、外環兩大部分，內環更靠近火星，外環離火星相對遠一些。內環物質的密度比較大，很快形成一個大的衛星，其質量是今天的火衛一質量的1000倍大;在這個新形成的大衛星的引力作用下，外環區域內的物質逐漸凝聚為大約十個小衛星。

幾百萬年後，內環形成的大衛星落向火星，外環中形成的大部分小衛星也落向火星，只剩下兩顆小衛星，這兩個倖存者就是火衛一與火衛二。由於火衛一與火衛二是在低密度的外環中形成的，所以它們的密度比火星密度低。

圖5。 撞擊(上左)、形成環(上右)、形成大小衛星(中左與中右)、大衛星靠近火星(下左)、最後留下兩個小衛星(下右)(來源：A。 Trinh - Royal Observatory of Belgium)在 Rosenblatt 等人的模型中，火衛一與火衛二在形成後就基本不再變化，保持至今。

「環-衛星-環」的循環轉變過程

在Rosenblatt 等人的論文發表後不久，普渡大學西拉法葉分校(Purdue University，West Lafayette)物理與天文系的Hesselbrock與地球、大氣、行星科學系的Minton 進行了新的數值模擬，論文於2017年3月20日發表於《自然·地學》。

Hesselbrock與Minton的新模擬表明，大撞擊之後形成的並不是持續存在到現在的火衛一，而是火衛一的遠祖(「前身」)，這個「火衛一的遠祖」在此後在環狀態與衛星狀態之間多次循環轉變，直到變為現在的火衛一。

在這個新模型中，大撞擊後被拋向空中的物質環形成火衛一的前身，然後火衛一的前身慢慢靠近火星，但距離太近會造成災難性的後果：天體周圍有個距離極限叫做洛希極限(Roche limit)，如果兩個天體的距離過小，以至於其中一個天體處於這個洛希極限內，那個天體就會被另一個天體撕碎，成為另一個天體的環。

根據Hesselbrock與Minton的模擬，幾十億年前，撞擊後形成的物質環中產生了火衛一的前身，隨後，火衛一的前身首次進入洛希極限內，被撕裂為分布很廣的環。環中大約百分之八十的碎片處於洛希極限內，這些碎片如雨點般掉落到地面，形成隕石雨，堆積在赤道附近;剩下的大約百分之二十的環物質在洛希極限外，慢慢堆積成新的衛星。因此，新的衛星的質量只有前身質量的五分之一。

此後，新的衛星再次進入洛希極限、並再次被撕碎為環，然後位於洛希極限內的大多數物質又成為隕石雨，落到火星表面。剩下的位於洛希極限外的那部分碎片又凝聚形成新的衛星。

Hesselbrock與Minton的新模擬表明，這個「環-衛星-環……」的循環過程在過去43億年出現了三到七次，每次都有大量環物質落到火星赤道附近，接著形成的衛星都比之前小得多。經過這麼多次的「環-衛星-環……」循環轉變之後，才形成現在看到的火衛一，它比他的「遠祖」可小得多了。

火衛一的軌道半徑變化到一定大小時，就會與火衛二軌道發生共振，這種共振會改變火衛二軌道，但基本上不會對火衛一軌道產生影響。

隕石雨與赤道堆積物

這個最新的模型，不僅可以像以前的模型那樣解釋火星北極的大盆地，還可以解釋火星赤道的多餘沉積物。這些沉積物的厚度大約為幾千米。如果這些沉積物都掉落在火星赤道附近，就會使得赤道附近的鬆散堆積物的厚度達到2千米。以後人們可以發射新的火星車，研究這些堆積物，以檢驗該模型的正確性。

火衛一將來還會變成環

我們的月球以每年幾厘米的速度離開地球，太陽系中其他行星的衛星大多也在遠離對應的行星。只有兩個衛星在靠近自己所環繞的行星，一個是火衛一，一個是海衛一(Triton)。

由於火衛一正在不斷靠近火星，因此可以預期，在未來的某個時刻，它將進入火星的洛希極限，然後要麼被撕裂，要麼繼續靠近火星，直到撞上火星。

2015年，加州大學伯克利分校(University of California， Berkeley)地球與行星科學系的博士後Black與研究生Mittal根據數值模擬，得出結論：火衛一在2000萬年到4000萬年後將被部分撕裂，其鬆散部分成為一個環，其質量與現在的土星環差不多，其相對結實的部分將繼續靠近火星，直到最後撞擊火星。論文發表於《自然·地學》。

圖6。 火衛一逐漸靠近火星，一部分在未來被撕裂為環，剩下部分最終撞到火星(來源：Benjamin A。 Black & Tushar Mittal，Nature Geoscience) 對於未來火衛一會變成環這個預言，上面提到的Hesselbrock與Minton的新論文也得到了類似的結論，但環形成的時間略有不同：他們認為這件事發生的時間在7000萬年以後。

現在我們來總結一下以上幾個工作的主要結論與獨到之處：第一，火衛一之前是環物質，這在之前已被指出並被仔細研究過，但現在又有了進一步的發展，Rosenblatt等人首次給出了環形成的具體過程。第二，Hesselbrock與Minton的新研究首次提出：火衛一在形成之後到現在，經歷了「環-衛星-環……」的多次循環，而非之前人們認為的那樣一成不變。第三，火衛一在幾千萬年後還會變為火星環，那時候的地球人會看到壯觀的火星環。

不久的將來，人類發射的火星車會對火星赤道堆積物展開研究。這些研究將檢驗這些新研究是否正確。讓我們拭目以待吧!

附錄：

1、Rosenblatt等人的論文：

http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n8/full/ngeo2742.html

2、Hesselbrock與Minton的論文：

http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2916.html

3、Black與Mittal的論文：

http://www.nature.com/ngeo/journal/v8/n12/full/ngeo2583.html

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