不規則衛星

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更新時間: 2013-09-12

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不規則衛星 -概述

  不規則衛星是天文學中以逆行軌道環繞著行星的天然衛星,通常有著較遠的距離、傾角、和離心率。他們被認為是行星捕獲的,不同於規則衛星是原生的
  從1997年起,已經發現93顆不規則衛星,環繞著4顆巨行星 (木星、土星、天王星和海王星)。在1997
土星最大的不規則衛星。
年之前,包括土星最大的不規則衛星 Phoebe、木星最大的不規則衛星Himalia,只有10顆是已知的。天王星最大的不規則衛星Sycorax 是在1997年發現的。 目前認為不規則衛星原本是在靠近現在位置環繞太陽的日心軌道上,而在母行星形成不久之後就被捕獲。一種替代的理論,認為它們來自古柏帶,但現在的觀測並不支持這種說法。
  不規則衛星還沒有被廣泛接受和明確的定義。非正式的,如果它們距離行星夠遠,以致於它們軌道平面的進動主要是受到太陽的控制,這顆衛星就是不規則衛星。
  實際上,是以衛星的半長軸與行星的希爾球rH (這是受到重力影響的球體) 比較。不規則衛星的半長軸大於0.05 rH與遠心點延伸超過 0.65 rH希爾球的半徑在鄰近的表格。
  
行星希爾球半徑rH (Gm)
木星51
土星69
天王星73
海王星116
不規則衛星 -軌道

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現在的分佈

  不規則衛星:木星 (紅色)、土星 (黃色)、天王星 (綠色)、和海王星 (藍色)。水平軸顯示與行
不規則衛星

星 (半長軸) 的距離,顯示出一部分行星希爾球的半徑。垂直軸顯示它們的軌道傾角。點或圓圈的大小顯示它們相對的尺寸。
  已知的不規則衛星軌道有很大的差異,但仍有一些規則。逆行軌道遠較順行軌道普遍,比例高達83% ,是軌道的基本型態。眾所周知,沒有衛星的軌道傾角超過55° (或是小於130°的逆行衛星)。另一方面,有些可以確定是同一群,其中一些小衛星與一顆較大的衛星共用相似的軌道。
  在行星一定的距離之外,外圍的衛星給到受到太陽高度的攝動,並且它們的軌道要素在短時間內就會發生廣泛的改變。例如,Pasiphae的半長軸在兩年內 (單一軌道)改變達到1.5 Gm,傾角大約10°,離心率也在24年( 兩倍木星公轉周期) 大到成為0.4[2]。
  因此,平均軌道要素 (一段時間的平均)用於特定的群,而不是在給定的時間使用吻切根數 (相似的,固有軌道根數是用來測量小行星族。)。
起源

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  不規則衛星相信是從日心軌道上捕獲的。 (事實上,巨行星的不規則衛星顯示它們與木星和海王星特洛伊,和灰色的古柏帶天體有著相同的起源。) 為此,必須發生下面三件事中的其中一件:
  能量散逸 (例如,在原始氣體雲中的交互作用)行星的希爾球在短期間 (數千年) 內有實質的擴展 (40%)。三體作用的能量移轉。這可以包括:一顆外來天體和衛星的碰撞 (或密近接觸),導致外旯天體失去能量而被捕獲。一對外來天體與行星 (或可能是一顆現存的衛星) 密切接觸,導致聯星中的一顆被捕獲。最有可能經由這個路徑的是崔頓。在捕獲之後,有些這樣的衛星可能碎裂成有著相似軌道的小衛星,形成群。共振可以進一步的修改軌道,使這些群變得無法辨識。
長期穩定項

  值得注意的是,儘管在遠心點附近有著極大的攝動,在數值模擬下證明目前的軌道是穩定的。 在許多不規則天體中造成這種穩定性原因的事實是長期的或古在共振。
  此外,類似的研究還獲得以下的結論:
  軌道傾角大於50° (或逆行軌道小於130° )是非常不穩定的:它們的離心率會增加,導致這顆衛星的出走。逆行軌道比順行軌道更穩定(可以進一步在行星發現更多穩定的逆行軌道衛星)。離心率的增加會使近心點縮小,遠心點增大。衛星進入規則衛星 (較大的) 區會經由碰撞或密近接觸而被彈出或出走。另外,來自太陽日益增加的攝動使遠心點增加而使它們超越希爾球的範圍。
  未來可以發現行星會有比順行軌道衛星更多的逆行軌道衛星,詳細的數值積分已經呈現出這種不對稱性。在離心率和傾角上,這個極限是個複雜的函數,但一般來說,半長軸在0.47 rH (希爾球半徑)以內是穩定的,而逆行軌道衛星的穩定可以延伸到0.67 rH。
  順行軌道衛星半長軸的邊界是出人意料之外的。一顆順行軌道的衛星,如果以圓形軌道(傾角 = 0),在0.5 rH繞行,只要40年就會離開木星。這種影響可以用所謂的出差共振來解釋。衛星的遠心點,是行星對衛星控制力最弱的位置,被鎖定在太陽的共振位置上。每一次通過所累積的攝動效應,進一步的將衛星向外推出。
  順行衛星和逆行衛星的不對稱,可以用行星在旋轉框架下的科氏力加速直接解釋。對順行衛星的加速使這個物體向外移動,逆行物體則會向內移動,因而使衛星穩定。
不規則衛星 -物理特性

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尺寸

  物件的數量取決於它們的大小。
  在比地球更遠的距離上,已知的天王星和海王星不規則衛星都較木星和土星為多;應該還有更多的小衛星,只是還沒有被發現。但是,基於消除觀測上的偏差,四顆巨行星的衛星大小分佈的比率應該是相似的。
  通常,物件的數量和直徑大小的關係近似或等同於冪律:
  ,此處的q定義出斜率。
  觀測到的大小在10至100公里?適用於低階的冪律 (q~2),但是小於10公里?則適用更高階的冪律 (q~3.5)。
  做為比較之用,古柏帶的物件分佈適用於更高階的冪律 (q~4),也就是說,有一顆直徑1,000公里的天體,就有1,000顆直徑大約100公哩,較小的天體。大小的分佈可以提供洞悉可能的來源 (捕獲、碰撞/碎裂或增生)。
  每找到一顆直徑100公里的物件,就可能有10顆10公里的物件可以發現。
  每找到一顆10公里的物件,就有140顆1公里的物件可以被發現。
顏色

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  不規則衛星的顏色可以透過色指數來研究:簡單測量在不同顏色濾鏡下的天體視星等,藍色
不規則衛星

(B)、可見光也就是綠黃色 (V)、和紅。觀測到的不規則衛星顏色從無色彩的 (帶著灰色) 到淡紅色 (但是不同於古柏帶天體的紅色)。
  反照率[8] 無色彩 淡紅 紅
  低 C 3-8% P 2-6% D 2-5%
  中 M 10-18% A13-35%
  高 E 25-60%
  每個行星的系統顯示略有不同的特性。木星的不規則衛星是灰色至淡紅色,包含C、P和D[9],有些群的衛星在觀察下顯示相似的顏色 (見後面的章節)。土星的不規則衛星比木星的稍紅。 大的天王星不規則衛星 (Sycorax和Caliban) 被發現是淡紅 (light-red ),而較小的Prospero和Setebos是灰色,如同海王星的Nereid和Halimede。
光譜

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  以目前的解析度,多數的可見光和近紅外光的光譜都呈現不出特徵。因此,只有在Phoebe和Nereid上推斷出水冰的存在,和在Himalia上發現可歸因於水蝕變的特徵。
自轉

  規則的衛星通常都是潮汐鎖定 (也就是說,它們的軌道與自轉是同步的,永遠以同一面朝向母行星)。對照之下,不規則衛星由於距離的遙遠,受到的潮汐力是可以忽略不計的,而且最大的衛星Himalia、Phoebe和Nereid的自轉周期被測定出來,都在十幾個小時的範圍內 (相較於它們的軌道周期都在數百天)。這種自轉速率與在同一區域典型的小行星是相同的。
不規則衛星 -共同起源的家族

  有些不規則小行星出現成'群'的軌道,其中有幾顆衛星共享相似的軌道。主導的理論是這些天體構成碰撞家族,是一個更大天體破裂的一部份。
動力學的群

  簡單的碰撞模型可以利用軌道參數所給的速度動量δV估計可能的集中趨勢。運用這些模型到已知的軌道參數,使得可能估計δV必須創建觀測到的集中趨勢。相信δV的數值在每秒數十米 (5–50米/秒) 的範圍內,可能是來自碎裂的結果。不規則衛星的動力學群可以使用這些準則和共同的起源,從破裂的可能性來評估和鑒定。
  當軌道的集中區是太廣泛時 (也就是說需要δV 的數量級在每秒數百米) ,
  必須假定有多次的碰撞,也就是說,這個群集應該進一步的細分成子群集。或過去的碰撞值得注意的變化,例如來自共振的結果,必須被假設。
顏色的群

  當衛星的顏色和光譜已經知道,給定的均質資料是所有在分組上有著共同起源,成為家族成員的一個重要的原因。但是,缺乏可用資料的準確性,在統計學上往往難以獲得結論。此外,觀測到的顏色不一定能代表衛星的主要組成分。

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