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地球，是人類已知宇宙中唯一存在生命的天體，而月球是地球唯一的天然衛(wèi)星。
根據(jù)天文學(xué)家觀測的結(jié)果，地球現(xiàn)有一顆天然衛(wèi)星，火星有兩顆，水星和金星則沒有，而太陽系的一些其他巨行星，比如木星和土星，天然衛(wèi)星的數(shù)量卻高達幾十顆。
腦洞一下：地球最多可以擁有幾個“月亮”？
或者說，像地球這樣的行星，最多可以擁有幾顆“月亮”般大小的天然衛(wèi)星呢？
針對以上問題，一項由 3 名物理學(xué)家共同完成的新研究給出了答案：3-7 顆。
而具體數(shù)量，取決于天然衛(wèi)星的質(zhì)量。
圖｜三顆“月亮”質(zhì)量的衛(wèi)星圍繞地球運行的示意圖。行星和衛(wèi)星的大小是按比例計算的，衛(wèi)星被限制在穩(wěn)定邊界之間。
相關(guān)研究論文以“Moon-packing around an Earth-mass planet”為題，已發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 上。德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校（UTA）兼職助理教授 Suman Satyal 為論文的第一作者。
Satyal 說：“太陽系的大多數(shù)行星都有多個衛(wèi)星。”“值得注意的是，像木星和土星這樣的巨型行星擁有大約 80 顆衛(wèi)星。但在巖質(zhì)行星中，火星有兩個衛(wèi)星，地球有一個衛(wèi)星。這些差異可能與不同的形成機制和軌道演化過程有關(guān)?！?/strong>
在此次工作中，研究團隊使用了一系列 N 體（N-body）模擬（近似于粒子運動），來試圖量化地球或與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)南低庑行窃谄滠壍郎峡梢猿休d多少顆衛(wèi)星。
研究團隊將多顆衛(wèi)星的 N 體模擬設(shè)置在軌道體的內(nèi)部（洛希半徑，Roche radius）和外部（希爾半徑，Hill radius）穩(wěn)定極限之間。
從理論上講，如果一顆衛(wèi)星在洛希半徑內(nèi)運行，它就會被宿主行星的潮汐力分解；如果它在希爾半徑外運行，它就會逃脫宿主行星的重力場。
Satyal 說：“然而，數(shù)值研究表明，實際的穩(wěn)定性極限在洛希的兩倍以內(nèi)，約為希爾半徑的一半。”“因此，我們開始在這些減少的邊界限制之間模擬多個衛(wèi)星（最多 9 個），并檢查其中有多少能‘存活’到模擬時間結(jié)束。”
圖｜Suman Satyal、Marialis Rosario-Franco 和 Billy Quarles。
研究團隊使用與谷神星、冥王星和月亮質(zhì)量相同的衛(wèi)星作為原型質(zhì)量來計算軌道穩(wěn)定性約束。他們發(fā)現(xiàn)，有 3 顆月亮質(zhì)量的衛(wèi)星，4 顆冥王星質(zhì)量的衛(wèi)星，以及 7 顆谷神星質(zhì)量的衛(wèi)星可以圍繞一顆地球質(zhì)量的系外行星運行。
“我們的模型忽略了太陽系內(nèi)所有其他行星的引力效應(yīng)?！薄爱?dāng)放眼太陽系之外時，這一點很重要，因為有很多系統(tǒng)只有一顆候選行星。目前有兩個候選系外衛(wèi)星（exomoon），但它們都以一個天文單位（約 1.5 億公里或 9300 萬英里）的距離圍繞類木星行星運行?！?Billy Quarles 是論文的作者之一，現(xiàn)為瓦爾多斯塔州立大學(xué)（Valdosta State University）天文學(xué)和物理學(xué)助理教授。
盡管大約有 5000 顆已知的系外行星有可能承載著數(shù)十顆系外衛(wèi)星，但迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)過被證實的系外衛(wèi)星。Satyal 認為，這種不被發(fā)現(xiàn)的觀測還有其他的約束和限制。
Satyal 認為，他們的研究成果對未來的宇宙觀測具有重要意義，“因為它限制了類地衛(wèi)星在各自宜居帶的存在?！?/strong>
同時，隨著望遠鏡靈敏度的提高，比如最近發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），我們也許能夠應(yīng)用凌日法（測量星光的深度）來探測系外衛(wèi)星。由于像地球這樣的巖質(zhì)行星有可能擁有一個以上的衛(wèi)星，這就增加了它們被發(fā)現(xiàn)的可能性。
另外，隨著在類地行星周圍尋找系外衛(wèi)星的研究繼續(xù)進行，這一研究或為科學(xué)家們預(yù)測某一行星擁有多少顆衛(wèi)星提供上限。
此外，這一研究可能對科幻電影和其他媒體中對系外衛(wèi)星的描述具有文化意義。
“當(dāng)我們進行調(diào)查時，我看了《星門》（Stargate），注意到研究小組前往的銀河系外行星有三個衛(wèi)星?！薄霸S多電影都闡述了系外衛(wèi)星的可能性，比如《阿凡達》（Avatar）中的潘多拉，《星球大戰(zhàn)》（Star Wars）中的森林衛(wèi)星恩多。我們的研究可以幫助未來的工作在天文學(xué)上顯得更加準(zhǔn)確。” Quarles 說。
參考鏈接：
https://arxiv.org/abs/2208.03604歡迎掃碼關(guān)注深i科普！
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