制约气态卫星产生的因素，体积和角速度

故事 06-11 来源：天文在线

要想知道为什么气态行星的卫星不是气态的这个问题，我们首先就要了解卫星形成的过程。地球的卫星月球是我们最熟悉的卫星，那么就让我们首先来了解月球形成的过程。

目前关于月球形成最可信的理论是大碰撞假说，即在45亿年前一个处于胚胎状态的原行星 “忒伊亚”与地球发生了巨大的碰撞，巨大的能量使地球部分融化，忒伊亚的铁核沉入了地球的地核，同时两者的地幔互相混合。其中地球和忒伊亚的一部分地幔被抛掷进入环绕地球的轨道，这些物质逐渐冷却，聚合成一个稳定而坚硬的天体，成为了狼人的缪斯。

但是，大碰撞假说只适用于那些具有固体结构的行星或原行星，而太阳系中只有被称为类地行星的四颗行星符合这个条件。其它四颗气态行星的结构如同巨大的气球一般，它们的卫星无法用这种理论解释。

图解：土星的密度非常微小，如果有那么大的一盆水，土星就会漂浮在水上。（照片：纳扎普勒-卡拉特西）

环绕气态行星的卫星数量超过一百个，奇怪的是这些卫星都由坚硬的岩石构成。那么这些环绕气态行星的卫星到底是如何形成的那？它们又为什么不是气态的呢？

气态行星的形成

在太阳系初期，内太阳系区域由于过于温暖，以至于易挥发的分子难以聚集，所以那里形成的类地行星只能由高熔点的物质形成，这些物质在宇宙中很稀少，所以类地行星都比较小。

而气态行星所处的区域比较寒冷，足以使易挥发的冰状化合物保持固态，这为气态行星的形成提供了丰富的资源，帮助它们更轻易地获得更多的质量。最终它们的引力变得足够强，甚至能够捕获太阳耀斑发出的氢气和氦气。

而且这些物质不是像肥皂泡一样缓慢的聚集，它们会迅速地掉入行星，巨大的动能会逐渐提升行星的整体角动量。随着质量持续不断地增加，行星就像滑冰者一样旋转得越来越快。

图解：滑冰者的转动惯量

木星上的一天只有10个地球时，这表明它在进行快速的旋转。巨大的角速度使气体之间产生了巨大的摩擦力。摩擦力与木星的重力压缩共同产生了巨大的压力和热能，正是这些能量使气态行星得以保持。如果气态天体没有足够的质量或没有在高速旋转，天体不能产生足够的热量，就会导致物质快速冷却变成固态。这也就是为什么没有气态卫星的原因。

当然除了经历一场灾难性的碰撞，也存在一个更简单的方式使得行星拥有一个岩石卫星。行星也可以通过引力捕获另一个天体成为自己的卫星。例如火星：它的卫星可能就是在经过小行星带时靠重力引诱的小行星。木星至少有33个卫星的公转方向与行星的自转方向相反，这意味着它们很可能是木星通过引力俘获的小行星。

木星的南半球

木星其余卫星的形成原理与太阳周围行星的形成原理相似，这些卫星大小和组成的变化与行星大小和组成的变化大致相同。形成行星后剩余的碎片构成了一个环绕行星的圆盘，这些碎片相互吸积从而产生了卫星。

图解：木星是我们太阳系最大的行星

宇宙中的每个天体都存在气体逃逸现象，但是气体逃逸的速率与行星体积大小是成反比的。如果天体想要有自己的大气层，就必须达到一个最低的体积阈限。然而这些卫星都没有到达这个要求，无法维持自己的大气层，就更不可能维持整个卫星的气体状态了。这些聚合成卫星的气体只能逐渐冷却，凝聚成坚硬的固体。

木星卫星

图解：欧罗巴（Europa）是太阳系第六大的卫星。

木星的卫星欧罗巴上厚厚的冰层清楚地显示出太空中的小天体是如何冷却的。科学家预测欧罗巴是与木星同时形成的，因为欧罗巴的冰壳与形成内核的冰是相同的。但是，天文学家预测，在欧罗巴冰壳下面其实是一个海洋，它的面积是地球海洋的两倍。这个海洋是欧罗巴受木星的引力拉伸产生的结果。所以哪怕欧罗巴的体积达到条件，木星的引力也会使其无法保持大气层。