火星的星环去那了？

前几天我们一直在谈土星和它的星环。卡西尼号也曾经对其进行了穿越。但我们都知道火星没有环。其它行星也没有环。那为什么这些行星没有环呢？科学家告诉我们其实火星有环，只是后来消失了。下图就是火星星环的模拟图片。

题图火星环的艺术想象图（来源Tushar Mittal）

　　行星环一些行星周围存在有大量细碎的物质块与颗粒汇集成环的形状，环绕着行星，这就是行星环，它们像无数卫星的天然卫星一样，集体绕着行星运转，并保持环的形状。

　　洛希极限当一个天体围绕另一个天体运动时，与后者中心的距离小到足以被后者撕碎时，这个距离就被称为“洛希极限”。18世纪中叶，法国天文学家洛希研究了这个问题，以洛希来命名这个极限。有些理论认为，当一个卫星进入行星的洛希极限后，就会被撕碎为行星环。

　　太阳系中以环而驰名的星球是土星，木星、天王星与也有环，这四个行星都是太阳系中的气态巨行星。太阳系中四个大行星（水星、金星、地球、火星）都是固态行星，它们都没有环。

　　不过，如果有人告诉你火星以前也有环，你可能会大吃一惊；如果有人告诉你火星的环在过去几十亿年多次变为卫星又变为环，现在的卫星——火卫一（Phobos）与火卫二（Deimos）——在将来还会变为环，你会更加惊奇。

　　那么，凭什么说火星以前也有环呢？这个环怎么来的？它是如何与卫星实现互相转变的？故事要先从火星现在的两颗卫星说起。

　　火星的两个卫星

　　火星的两个卫星都很小，且形状不规则。火卫一的平均半径只有11.3千米，质量是月球的1000万分之一。火卫一的轨道半径（精确说，是半长轴）为9376千米，是火星半径的2.76倍。

　　火卫二更小，其与三环内的北京城差不多大。平均半径只有6.2千米，质量仅为火卫一的七分之一。火卫二的轨道半径为23463千米，是火星半径的6.92倍。

图1。 火卫一（左）与火卫二（右）的近距离图像（来源 NASA/JPL-Caltech/University of Arizona）。

图2。 火卫一、火卫二与火星距离的示意图（图片来源Magenta Green/CC BY-SA 3.0）

　　尽管火卫一离火星很近，它的轨道半径只有火星半径的大约3倍（相比之下，月球的轨道半径大约是地球半径的60倍），但因为它实在太小，使得火星上因为火卫一遮挡而导致的日食不可能为全食，而只能是偏食和环食，如图3。由于火卫二更小更远，它遮挡太阳导致的日食，其阴影比火卫一遮挡时更是小得多。所以我们要感谢月球的大小如此恰当、与地球的距离又如此恰当，使得我们有机会看到日全食。

图3。 好奇号火星车拍摄下的火星日食，遮挡者为火卫一（来源NASA）

　　火星卫星的起源

　　对火星这两颗卫星的起源，此前人们长期以来争论不休，有人认为这两颗卫星是与火星形成的；有人认为它们是火星俘获来的；有人认为是一颗较大的天体撞击火星之后，散落到太空中的残骸逐渐凝聚而成的。但前两个模型都无法解释火星卫星系统的特征，一个模型虽然更加合理，但无法给出撞击后形成卫星的细节。

　　2016年6月，比利时皇家天文台（Royal Observatory of Belgium）的Rosenblatt等人在《自然·地学》（Nature Geoscience）发表了一篇论文，他们用数值模拟给出了撞击后形成卫星的过程。

　　根据这个新的数值模拟，在火星形成后1亿年到8亿年之间，一个大小为火星三分之一的行星撞击了火星。

图4。 原行星撞击火星的艺术想象图。（来源Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS）

　　大撞击发生后，产生的一部分碎片被反弹到空中，形成环绕火星的环，其物质分布很广，直到火星赤道上空很远的范围内。

　　根据环中物质与火星的距离，新形成的环分为内环、外环两大部分，内环更靠近火星，外环离火星相对远一些。内环物质的密度比较大，很快形成一个大的卫星，其质量是今天的火卫一质量的1000倍大；在这个新形成的大卫星的引力作用下，外环区域内的物质逐渐凝聚为大约十个小卫星。

　　几百万年后，内环形成的大卫星落向火星，外环中形成的大部分小卫星也落向火星，只剩下两颗小卫星，这两个幸存者就是火卫一与火卫二。由于火卫一与火卫二是在低密度的外环中形成的，所以它们的密度比火星密度低。

图5。 撞击（上左）、形成环（上右）、形成大小卫星（中左与中右）、大卫星靠近火星（下左）、留下两个小卫星（下右）（来源A。 Trinh - Royal Observatory of Belgium）

　　在 Rosenblatt 等人的模型中，火卫一与火卫二在形成后就基本不再变化，保持至今。

　　“环-卫星-环”的循环转变过程

　　在Rosenblatt 等人的论文发表后不久，普渡大学西拉法叶分校（Purdue University，West Lafayette）物理与天文系的Hesselbrock与地球、大气、行星科学系的Minton 进行了新的数值模拟，论文于2017年3月20日发表于《自然·地学》。

　　Hesselbrock与Minton的新模拟表明，大撞击之后形成的并不是持续存在到现在的火卫一，而是火卫一的远祖（“前身”），这个“火卫一的远祖”在此后在环状态与卫星状态之间多次循环转变，直到变为现在的火卫一。

　　在这个新模型中，大撞击后被抛向空中的物质环形成火卫一的前身，然后火卫一的前身慢慢靠近火星，但距离太近会造成灾难性的后果天体周围有个距离极限叫做洛希极限（Roche limit），如果两个天体的距离过小，以至于其中一个天体处于这个洛希极限内，那个天体就会被另一个天体撕碎，成为另一个天体的环。

　　根据Hesselbrock与Minton的模拟，几十亿年前，撞击后形成的物质环中产生了火卫一的前身，随后，火卫一的前身进入洛希极限内，被撕裂为分布很广的环。环中大约百分之八十的碎片处于洛希极限内，这些碎片如雨点般掉落到地面，形成雨，堆积在赤道附近；剩下的大约百分之二十的环物质在洛希极限外，慢慢堆积成新的卫星。，新的卫星的质量只有前身质量的五分之一。

　　此后，新的卫星进入洛希极限、并被撕碎为环，然后位于洛希极限内的大多数物质又成为陨石雨，落到火星表面。剩下的位于洛希极限外的那部分碎片又凝聚形成新的卫星。

　　Hesselbrock与Minton的新模拟表明，这个“环-卫星-环……”的循环过程在过去43亿年出现了三到七次，每次都有大量环物质落到火星赤道附近，接着形成的卫星都比之前小得多。经过这么多次的“环-卫星-环……”循环转变之后，才形成现在看到的火卫一，它比他的“远祖”可小得多了。

　　火卫一的轨道半径变化到一定大小时，就会与火卫二轨道发生共振，这种共振会改变火卫二轨道，但基本上不会对火卫一轨道产生影响。

　　陨石雨与赤道堆积物

　　这个最新的模型，不仅可以像以前的模型那样解释火星北极的大盆地，还可以解释火星赤道的多余沉积物。这些沉积物的厚度大约为几千米。如果这些沉积物都掉落在火星赤道附近，就会使得赤道附近的松散堆积物的厚度达到2千米。以后人们可以发射新的火星车，研究这些堆积物，以检验该模型的正确性。

　　火卫一将来还会变成环

　　我们的月球以每年几厘米的速度离开地球，太阳系中其他行星的卫星大多也在远离对应的行星。只有两个卫星在靠近自己所环绕的行星，一个是火卫一，一个是海卫一（Triton）。

　　由于火卫一正在不断靠近火星，可以预期，在未来的某个时刻，它将进入火星的洛希极限，然后要么被撕裂，要么继续靠近火星，直到撞上火星。

　　2015年，加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）地球与行星科学系的博士后Black与研究生Mittal根据数值模拟，得出结论火卫一在2000万年到4000万年后将被部分撕裂，其松散部分成为一个环，其质量与现在的差不多，其相对结实的部分将继续靠近火星，直到撞击火星。论文发表于《自然·地学》。

图6。 火卫一逐渐靠近火星，一部分在未来被撕裂为环，剩下部分最终撞到火星（来源Benjamin A。 Black & Tushar Mittal，Nature Geoscience） 

　　对于未来火卫一会变成环这个预言，上面提到的Hesselbrock与Minton的新论文也得到了类似的结论，但环形成的时间略有不同他们认为这件事发生的时间在7000万年以后。

　　现在我们来一下以上几个工作的主要结论与独到之处第一，火卫一之前是环物质，这在之前已被指出并被仔细研究过，但现在又有了进一步的发展，Rosenblatt等人给出了环形成的具体过程。第二，Hesselbrock与Minton的新研究提出火卫一在形成之后到现在，经历了“环-卫星-环……”的多次循环，而非之前人们认为的那样一成不变。第三，火卫一在几千万年后还会变为火星环，那时候的地球人会看到壮观的火星环。

　　不久的将来，人类发射的火星车会对火星赤道堆积物展开研究。这些研究将检验这些新研究是否正确。让我们拭目以待吧！