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为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?
2019年01月15日 12:34 新浪网 作者
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浪迹天涯武汉夜生活

  行星(即是原来的“大行星”)的定义可再加上一条,除了体积、直径大小外,最重要的是行星质量,这才是决定性的物理量。总而言之,冥王星从质量(or半径、体积)、轨道偏心率、轨道倾角、双行星等角度看,都是个异类!

  1.质量与体积

  天体的直径相对于它的运行轨道实在太小了,除去行星间引力摄动、行星—卫星间潮汐作用外,基本上都可以看成质点。所以,质量成了它的势力范围,也就是引力影响范围的决定因素。

  够得上行星资格,起码要把所有的矮行星、大型卫星都比下去,才算得上“太阳系一极”,我们千万别忘了,太阳系的大卫星可不少,论质量体积,它们很多把矮行星都秒杀了。

  为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

  如果说太阳是爷爷,各大行星、矮行星、小行星都是伯伯、父亲、叔叔的话,卫星们就是孙子辈;

  近在眼前——月球,木星的四大伽利略卫星,土星的土卫六,海王星的海卫一,这7个侄儿,都比冥王星大,海卫一拥有与海王星自转几乎完全相反的逆行轨道,不可能是天然形成的,普遍认为是被海王星俘获的柯依伯带天体,与冥王星非常相似,也比它大!你要把冥王星算作行星,那么这7个侄儿强烈不服气。

  为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

  从木星轨道开始,各种天体的水冰、氨冰、甲烷冰的含量都要远远超过内太阳系的硅酸盐为主的岩石行星,也就是“水分多”;而内太阳系的行星都在距离太阳4 AU范围内形成,原始太阳的吸积盘的温度决定了,它们的物质构成必须是熔点较高的硅酸盐、金属化合物等,浓缩的都是“干货”。我们看看水星,就半径而言略小于木卫三(稍微有点尴尬,2439km:2631km),但别忘了,在固态岩石行星中,水星有着仅次于地球(5.515g/cm^3)的第二大平均密度(5.427g/cm^3),质量仍然是木卫三的2.23倍左右!(木卫三的平均密度只有1.936g/cm^3)

  同理可知,土卫六的半径也略大于水星(2575km:2439km),但质量仍然远远不及(水星质量是土卫六的2.5倍)。

  我们可以做一个思想实验,如果“上帝之手”把中太阳系、外太阳系的矮行星、大型卫星等天体,放到水星、金星或者地球轨道附近,让它们接受“高温”的熏烤(而不是躲在低于-100℃的超低温下),把大部分水冰、氨冰、甲烷冰挥发掉,质量必然会大大缩水!如此“公平竞争”,更加比不上水星了。

  为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

  所以,以质量数据作为划分标准,行星与最大的卫星之间,仍然“尊卑有序”!至于冥王星,抱歉的很,你只是柯依伯带中的最大滴小天体,质量还比齐娜(阋神星)小一点,当然被无情地排除在外!这么小的质量、引力场,庞大稀疏的活动空间,还怎么清除轨道上的“多余小天体”!

  2.轨道倾角和偏心率

  冥王星与八大行星明显不在同一个平面,类似的还有鸟神星和阋神星。离心率太大,明显不是接近圆形,甚至最接近时,能够进入海王星轨道以内(只是不在同一个平面,没有实际的交点);而且,其公转周期与海王星形成了3:2的轨道共振。很有可能是因为,17.2倍的地球质量的海王星在太阳系演化早期向外迁徙时,强大的引力场横扫整个柯依伯带,如同一头“闯进了瓷器店的大象”,造成了这么多奇葩轨道。

  为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

  3.双行星冥王星发现不久,曾经一度认为它是大行星:最早估计它的直径是6600千米,1949年改为10000千米。1950年柯伊伯用新建的5米望远镜将其修正为6000千米1965年柯伊伯用冥王星掩暗星的方法定出直径的上限为5500千米。1977年发现冥王星表面是冰冻的甲烷,按其反照率测算,冥王星的直径缩小到2700千米。

  虽然天文学家知道了它的块头小,但大家念念不忘它有一颗较大的卫星——卡戎(Charon,直径约1208km,约为冥王星的1/2),所以认为它是大行星。

  随后,陆续有几十颗小行星发现居然也有的卫星。

  第一颗确认的小行星卫星是环绕爱达小行星(243 Ida)运行的Dactyl,于1993年由伽利略号探测器(Galileo probe)赶赴木星的征途中所发现。

  目前已发现的小行星卫星分布在小行星带、特洛伊小行星群、近地小行星群及柯伊伯带。

  其中,90号休神星(Antiope)则是双重小行星的例子,而在2000年发现它实际上包括两颗几乎同样大小互绕着的小行星,平均直径大约是88公里和84公里,在质量上的差异小于2.5%!这两颗都在小行星的500强名单上,为两个相等星体环绕共同中心运行。

  林神星和它的两个较小且相似的双胞胎卫星罗穆乐斯((87) Sylvia I Romulus)及雷摩斯((87) Sylvia Ⅱ Remus)则是第一组确认的属于三元小行星(asteroid trio)的特殊案例。

  以卫星与其行星的大小之比而论,卡戎是太阳系里最大的卫星。冥王星的质量大约只是卡戎的10倍左右,而地球的质量却是月球的81倍,木星质量约为它的最大卫星——木卫三的12,821倍!

  此外,卡戎自身的引力大到足以使它呈球形,而冥王星和卡戎的共同重心位于外空间里,并不位于冥王星内部。这些特征使许多天文学家认为,冥王星与卡戎更像是一个双星系统,彼此是平等的伴星关系,而不是行星与卫星的关系。

  顺便略谈地月系的月球

  一、地球与月球,这是最特殊的天体关系;两者既不是(or既有)简单的行星—卫星,也不是(or又有)冥王星—卡戎那样的双行星关系。

  如果只看共同质量中心,位于地球半径3/4处,因此绝大多数人认为,月球围绕地球转,月球是地球唯一的天然卫星;冥王星—卡戎的共同质量中心却在冥王星以外,被认为是双行星。

  为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

  然而,月球实在太特殊了,一个重要原因就在于相比于其他行星系,月球的质量、体积太大了!月球(Moon)和卡戎(Charon)是太阳系两个“卫星”超过自己的“行星”质量1%的案例。二、

  我们知道,木星的质量是地球的318倍,土星是95倍,天王星14.6倍,海王星17.2倍。但就质量、体积而言,月球足足为地球光宗耀祖(半径1738km),堪称地球的“争气卫星”!它和木星的四大伽利略卫星是同样的数量级(半径1815km、1569km、2631km、2410km),甚至比木卫二还大,和土星的土卫六(半径2575km)也是同样级别,压倒天王星的所有卫星,超过海王星的海卫一(半径1353km),当然也轻松碾压本文主角冥王星(半径1180km)。

  为什么水星也很小却可以称为大行星,冥王星却不行?

  与水星相比,我神圣月球也不算太小,只是相对于地球这个最大的固态岩石行星,显得有点委屈,如果上帝之手把我搬运到小行星带、柯依伯带,俺也是妥妥的太阳系一霸!三、

  还有一点,太阳的质量是地球的33万倍,太阳—月球的距离大约是地月距离的400倍(1.5亿除以38万),那么小伙伴们可以根据牛顿的万有引力定律大致算出(33万除以16万),太阳对月球的吸引力是地球对月球的2倍多!在这场“拔河”比赛中,太阳压倒了地球!如果地月距离为26万公里,OK,那么太阳和地球的拔河数值旗鼓相当。

  那么问题来了,为什么月球没有被太阳的“吸星大法”给夺走呢?这就涉及到相对加速度,其实月球也是围绕太阳旋转,只不过围绕太阳旋转的同时,又受到地球的强大摄动,不得已又与地球跳起了舞步,给我们造成了月球围绕地球旋转的印象(虽然这只是真相的一部分)。这样看来,地球月球又是双行星关系!

  由于月球在地球同步轨道(距离地表3.6万公里)以外,它通过吸收地球自转的角动量,只会离地球越来越远,大约500亿年后,共同质心就会逐步离开地球,它们就会围绕中间的那一点共同质心,成为双行星,永远面对面,相互潮汐锁定,就像冥王星与卡戎——只要它们能在太阳膨胀成为红巨星后幸存,就可以做一对永远不离不弃的好基友!

  综上所述,地球—月球现在处于,并且将长期处于“行星—卫星”体系向“双行星”体系的过渡状态。

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