木星：一覺醒來多了12顆衛星是一種怎樣的體驗？

最新 07-25

Credit：NASA

近日（7月16日），卡內基科學研究所宣布新發現了12顆木星的衛星，至此，已發現的木星衛星數目一口氣飆升至79顆[1]。

說是「飆升」，可一點都不誇張。要知道，400年前的地球人只知道4顆木星衛星，100年前知道了8顆，50年前知道了12顆，十八年前（也就是2000年前）的地球人，也不過才發現了18顆木星衛星而已…

這次這批新發現的衛星全部都是卡內基研究所的Scott Sheppard小組發現的…emmm聽起來很厲害的樣子嘛…不過，如果我們稍稍了八一八木星衛星的發現歷史，就會發現…其實也沒有很驚訝，這件事應該也只有他們幹得出來了。

伽利略衛星：推翻地心說的有力證據

木星有多少顆衛星？這個問題，不同時代的人們有不同的答案。

但對四百多年前的地球人來說，答案一定是0。

什麼叫衛星呢？衛星是要繞著某個行星運轉的天體呀…所以…對大多還信奉「地心說」的十七世紀以前的人們來說，一個很自然的推理就是：

其他天體也有衛星？不存在的！因為所有天體都是繞著地球轉的嘛！

彼時雖然哥白尼的日心說已經提出，但還遠遠沒有得到廣泛的認可。

1609年，可以說是人類天文學史上里程碑式的一年，有兩件大事推進了日心說的發展：

一件是開普勒在《新天文學》一書中正式發表了關於行星運動的前兩條定律，證明行星都是在繞著太陽運轉。不過，這些複雜的公式和軌道對於那時候普通人來說，簡直如同天書；而另一件大事就不一樣了——這一年，伽利略用他改造的望遠鏡開始觀察月球和其他天體的細節，在1609-1610年期間，他發現了木星最大的四顆衛星（直徑約3000-5000公里）。

如果所有的天體都是圍繞地球轉的，那這四顆圍繞木星運轉的天體又算啥？

於是，這個石破天驚的觀測事實成為了打臉地心說的最直接的證據。這四顆木星最大的衛星也因此被稱為「伽利略衛星」。

（左）伽利略在1610年出版的《星際信使》一書中繪製的四顆伽利略衛星；（右）四顆伽利略衛星的樣子（位置並不是它們實際的軌道位置）。來源：維基

當然，至此之後行星各自擁有它們的衛星就不再讓人驚訝了，隨著望遠鏡越來越給力，天文學家們陸續發現了木星和土星的新衛星並加以命名（因為木星的英文Jupiter是羅馬神話中眾神之王朱庇特，也就是希臘神話中的宙斯，因此木星衛星的英文名就自然地以宙斯/朱庇特的戀人或者後代的名字來命名了，不過在翻譯成中文的時候，我們通常按照這些衛星的發現順序來直接稱之為「木衛n」）。

內衛星：空間探測器大顯身手

在四顆伽利略衛星到木星的軌道之間，目前還知道有四顆個頭比較小的衛星（直徑約在20-200公里），叫做「內衛星」。

這四顆內衛星里除了最大的那顆木衛五是美國天文學家愛德華·巴納德於1982年通過望遠鏡發現的之外，其他三顆都是1979年旅行者1號和2號探測器相繼飛過木星系統的時候發現的。

不同於望遠鏡只能看到的一個小亮點，探測器甚至可以直接就拍到衛星表面的細節。

探測外太陽系四顆行星及其衛星系統的旅行者1號和2號探測器，它們在1979年相繼飛掠木星系統。來源：NASA

再後來，伽利略號探測器探訪木星系統的時候，又近距離給這幾顆內衛星拍了更清楚的「身份照」。

伽利略號拍攝的四顆木星內衛星。來源：NASA

不規則衛星：拐來的孩子數不清

但不管是伽利略衛星還是內衛星，它們都是木星的規則衛星，什麼是「規則衛星」呢？我們可以把它們理解成是和木星「有親緣關係」的衛星。

按照我們目前的認知，如果一個衛星是和行星差不多時候形成的，那麼這個衛星的軌道應該非常「周正」：軌道形狀近似圓形，軌道面基本在行星的赤道面上，而且衛星運行的方向和行星的自轉方向相同（這叫「順行軌道」，相反的話，當然就是「逆行軌道」咯）。

規則衛星的軌道特徵。製圖：haibaraemily

然而，當天文學家們發現越來越多的木星衛星的時候，也同時發現，並不是所有的衛星軌道都這麼「周正」的。只有距離木星很近的8顆比較周正，而那些離得遠的，都沒這麼規律。

1904和1905年，美國天文學家珀賴因發現了木衛六（Himalia）和木衛七（Elara），它們雖然還是順行的，但是軌道面遠遠偏離了木星的赤道面，軌道形狀也比較橢圓。

1908年，英國天文學家梅洛特發現了木衛八（Pasiphae）；1938和1951年，美國天文學家尼克爾森發現了木衛十一（Carme）和木衛十二（Ananke），這三顆衛星的軌道就更奇怪了，他們不僅軌道形狀橢圓、遠遠偏離了木星的赤道面，而且它們還是逆行的！

這樣的「不規則衛星」，多半就不是木星的「血親」了，而是木星系統成型之後，一些小天體飛過木星附近時又因為木星巨大的引力而被「拐（捕）來（獲）」的。

不規則衛星的軌道特徵。製圖：haibaraemily

再然後，天文學家們又發現，這些不規則衛星里，有些是會「抱團」的。每一小簇衛星有相似的軌道，然後不同簇之間軌道又很不一樣。這說明，這裡可能原本有幾顆大得多的衛星，後來被撞碎了，而這些小衛星就是撞擊之後倖存下來的碎片。它們雖然「身體」分開了，但軌道還是彼此相似的。

於是，按照軌道的相似性，天文學家們又把木星的不規則衛星分成了四個族，按照每種裡面最大的那顆衛星的名字命名為：希瑪利亞族（Himalia，順行）、帕西淮族(Pasiphae，逆行)、阿南刻族(Anake，逆行)、卡梅族(Carme，逆行)衛星。

不過，偶爾還是有幾顆不抱團，獨享一個軌道的衛星。

為了區分這幾種類型的不規則衛星，天文學家們在取名的時候也動了一點小心思：

順行的以a結尾，逆行的以e結尾，與眾不同的以o結尾。

木星衛星的位置和分類示意圖。製圖：haibaraemily

作為「外來戶」，太大、太重的小天體都很難被捕獲，所以大部分不規則衛星都個頭非常小。這就意味著，天文學家們很難用望遠鏡或探測器發現這些不規則衛星。

（之前那麼多被隨隨便便就發現的衛星是因為什麼呀？當然是因為大啊！）

而到2000年，人類一共發現了18顆木星衛星…直徑10公里以上的衛星基本已經全部被掃蕩了。

那麼人們還能不能找到更小的衛星呢？

就在這時，火眼金睛的「星探」——Scott Sheppard出場了[2]。這位大咖2004年從夏威夷大學天文學博士畢業之後，基本上只專註於一件事兒——搜尋外太陽系新天體（當「星探」）。

在2000-2011年間，Sheppard帶領的團隊一共發現了40多顆超級小的木星衛星，是同時期其他所有團隊加起來的四倍多……這些小衛星直徑基本都在1-4公里之間，絕對能稱得上「慧眼識星」了！

除了木星衛星，他們還發現過一眾土星、天王星、海王星的衛星和其他外太陽系天體（多到數不過來）。簡而言之，這哥們就是個「追星專業戶」。

說起來，這次發現的一打新衛星，其實也純屬偶然——因為Sheppard團隊原本想找的是傳說中的太陽系第九大行星Planet X。

新發現的不規則衛星：失之東隅，收之桑榆

時光切回到2014年前後，那時候外太陽系大搜尋中最火的是什麼？可能是搜尋海王星外大天體。

2003年，加州理工大學的Brown團隊發現了直徑約1000公里的矮行星Sedna，不僅軌道極其橢圓，而且即使是近日點也遠遠大於冥王星到太陽的距離了，當時的人們以為Sedna是一個另類。

哦對了，這裡要插播一下，麥克·布朗（Brown）這哥們值得你們把名字記下來，正是2003年發現的Sedna和同樣是他們組2005年發現的鬩神星，讓2006年的國際天文聯會(IAU)對重新定義了「行星」，導致冥王星被開除出九大行星之列。2010年，「冥王星殺手」麥克·布朗童鞋還根據這段經歷出版了一本暢銷書《我是如何殺死冥王星的》。

圖：《我是如何殺死冥王星的》封面。來源：book.google

然而到了2012年，Trujillo和Sheppard團隊[3]發現了直徑在500公里左右，軌道也一樣奇特的2012 VP113，還進一步發現，Sedna和2012 VP113的軌道在近日點附近有聚攏趨勢，這一成果於2014年發表於《自然》雜誌。

這一發現意味著這兩個天體可能受到了某種「拉力」的影響，而Trujillo和Sheppard團隊可能是最早意識到外太陽系可能有個尚未發現的巨大天體存在的團隊。

再然後，到了2016年，Batygin和Brown團隊[4]一口氣分析了6顆海王星外大天體的軌道——Sedna，2004 VN112，2007 TG422，2010 GB174，2012 VP113，2013 RFS98…然後發現，這6個大天體也並沒有完全在「亂飛」，還是在近日點附近有聚攏趨勢——這就不太可能是巧合了。

於是他們放膽推測，可能是一個之前未被發現的遙遠的巨行星的引力在影響這些天體的軌道——這個行星被稱為Planet X或者Planet Nine。Batygin和Brown團隊通過估算認為Planet X質量約有10 個地球質量，平均距離約為海王星到太陽的20倍，軌道周期約1-2 萬年。

圖：6顆海王星外大天體的軌道在其中一個近日點有明顯的聚攏趨勢，這被認為是尚未被發現的「第九大行星」的影響。來源：維基

但這只是理論上的存在而已，壓根就沒有被觀測到過。為此，卡內基研究所的Sheppard、夏威夷大學的Tholen、北亞利桑那大學的Trujillo等天文學家們（當然也有麥克·布朗團隊）都緊鑼密鼓地投入了巡天搜索（翻來覆去還是他們幾個…）。

嗯，但直到現在，他們還沒有找到傳說中的Planet X。

幸運的是，在2016-2017年期間，當Sheppard小組在Planet X可能出現的區域里搜尋的時候，意外發現木星剛好也在他們的搜尋範圍附近，於是他們順便搜尋了一下木星的新衛星，然後，一下子發現了12個…

不過，發現的衛星到底是不是新的、又是不是真的在繞著木星轉，這些都需要反覆核查軌道之後才能確認——這項工作花了一年多時間。

而且，其實這12個新衛星中，其中2顆在2017年已經完全得到了確認[5]，所以嚴格來說，這次新發現的只有10顆。

圖：位於智利的托洛洛山美洲際天文台和4米口徑的布蘭柯望遠鏡，這次發現的新衛星大多數都是由這台望遠鏡發現的。此後，多台望遠鏡都加入了確認新衛星的行列，包括位於智利的拉斯坎帕納斯天文台6.5米口徑的麥哲倫望遠鏡，位於美國亞利桑那州的羅維爾天文台4米口徑的探索頻道望遠鏡，位於夏威夷的日本國立天文台8.2米口徑昴星團望遠鏡，夏威夷大學2.2米口徑的望遠鏡和夏威夷8米口徑雙子星望遠鏡。來源：維基

這次新發現的12顆木星新衛星也都非常袖珍，幾乎全部只有1-2公里大小。

其中2顆位於距離木星比較近的軌道上，差不多將近一年可以環繞木星轉一圈，它們的軌道完全符合順行軌道的希瑪利亞族衛星的特徵，因此應當也是來自同一顆天體的碎片。

另外9顆位於距離木星比較遠的軌道上，差不多每兩年可以環繞木星轉一圈，它們的軌道完全符合逆行軌道的三撥衛星帕西淮族、阿南刻族和卡梅族衛星的特徵，因此應該也分別來自原本的三顆大天體的碎片。

然而，除了這11顆「平平無奇」的衛星之外，還有1顆新衛星非常與眾不同。

這顆衛星非常小，直徑不到1公里，可能是目前的木星衛星中最小的一顆。更奇怪的是，它的軌道時不時會和一大批逆行衛星的軌道相交，然而它自己卻是順行的！這個危險程度相當於每過一段時間就要開上疾馳的高速公路然後還反方向發足狂奔…可以想見，這樣一顆衛星應該是已「活不多時」，早晚有一天，它會被某一顆迎面而來的衛星完全撞碎，化為齏粉。