行星围绕恒星运行。卫星绕行星运行。但是没有卫星有自己的卫星(我们称之为卫星)。为什么会这样?

Juna Kollmeier的儿子利维问了她这个问题后,我和她试图找出答案。

想象一个绕着太阳运行的行星有卫星绕其运行。这颗行星附近有一个区域,它的重力支受太阳影响比较大。这就是希尔球(虽然有点橄榄球状)。任何卫星都必须在行星的轨道内运行。

在每个视角中,我们的“相机”与行星或卫星一起运行。细线显示稳定轨道,五个拉格朗日点被标记(虽然只有L4和L5是稳定的)

进一步放大,我们看到卫星的山球,它的重力支配着行星。子月必须在它的月球山的轨道上运行。但这并不是稳定的唯一要求。一个寿命长的潜水艇必须离月球足够远,以避免被撕成碎片(像Shoemaker-Levy 9彗星,我们讨论了‘Oumuamua’的潜在起源)。这意味着月宫必须绕过罗氏极限轨道,所以月球的山体必须足够大。

今天的任何一个卫星都必须在潮汐面前存活数十亿年。

潮汐只是重力的结果。月球更靠近它的宿主行星,它的引力比远侧更强。这导致了月球的伸展并产生潮汐“隆起”。月球的引力在行星上产生了相应的隆起。

一个巨大星球的潮汐伸展的力线

月球的潮汐隆起试图指向引力作用的行星。但实际上通常不会。因为卫星和行星在旋转,月亮的凸起要么指向行星的前面,要么指向行星的后面。在上面的图片中,这意味着力线会指向木星中心的上方或下方。

潮汐隆起将卫星和行星连接在一起。通过凸起,行星和月亮交换角动量,这会改变它们的轨道和自旋速率。这些变化发生在地球和月球内部的能量消散过程中。在最戏剧性的情况下,能量耗散可以是这样的:

IO,木星最接近的大月亮,是太阳系中最火山的物体。它的50座火山不断爆发,由艾奥和Jupiter之间的潮汐驱动。这张照片是NASA的旅行者1号探测器拍摄的。美国国家航空航天局/喷气推进实验室

潮汐通常会导致月球的轨道增长,行星的旋转也会减速。我们的月球轨道目前正以每年大约4厘米的速度增长,地球日每世纪也相应延长2毫秒。这些变化在过去更快,当Moon更接近地球。

对于绕月球轨道运行的月球来说,情况更为复杂。月球和月球都会产生潮汐隆起。行星的重力影响月亮如何旋转,这反过来又影响了月球的轨道。而月球内部的能量决定了这种情况发生的速度。有三种可能的结果。或者a)潜艇的轨道收缩直到撞上行星,b)潜艇的轨道膨胀,直到它几乎和希尔球一样大,从月球上弹出,或者c)潜艇的轨道膨胀或收缩得足够慢,足以生存数十亿年。

Juna和我对这个过程做了简单的计算(使用这项研究的结果)。我们问:哪些卫星能容纳几十亿年存活下来的卫星?

简单的答案是:远离行星的大卫星可以容纳长寿命的卫星。下面是一些数字——木星和土星各一个——显示了在月球大小和轨道距离这样的空间中,长寿命潜艇的条件(灰色=适合于潜艇):

其中,卫星可以围绕木星(左)和萨图恩(右)轨道运行。在灰色阴影区域,一个10公里大小的月球可以存活数十亿年。行星的实际卫星是黑色的。在理论上可以支配卫星的卫星被标记。虚线/虚线是5km/20km亚基稳定性的边界。从我们的论文。

正如你所看到的,木星和萨图恩的卫星大部分离行星太近而不能容纳卫星。只有Callisto(朱庇特)、泰坦和伊帕特斯(土星)能够容纳潜伏卫星。天王星和海王星的卫星都离行星太近而不能容纳卫星。如果这些卫星曾经有过卫星,那么它们就被潮汐移除了。

现在让我们把这个官网走势到地球和开普勒-1625b上,它是一颗巨大的系外行星,在地球一样的轨道上比木星稍微大一些(尽管它比太阳的中心恒星更热,因为它比太阳更亮)。让这个系统有趣的是它拥有第一个候选人exomoon。KePLER 1625B-I是一个未经证实的海王星大小的卫星,它可能位于围绕气体巨星的一个相对较宽的轨道上。

在这里,卫星可以环绕地球(左)和开普尔1625b(右)轨道运行。从理论上讲,地球的月球和外星人的开普尔1625B-I都能容纳长寿命的亚基。从我们的论文。

这个数字意味着KePLER 1625B-I确实可以潜在地拥有长寿命的子卫星。把一切推向极端,原则上它可以容纳一个像Ceres一样大的月球!然而,存在很多不确定性。首先,EXOMUN本身既未经证实,其属性仍然很差。从表面上看,外太空轨道相当奇怪:它相对于它的主行星轨道倾斜了大约40度。虽然我们的计算没有考虑到这种倾向,但尚不清楚月球是否能稳定。我猜想在未来的几个月里,将有大量的研究研究这个系统中的卫星的稳定性。

那么为什么卡利斯托、泰坦、伊帕托斯和地球的月亮实际上都有卫星呢?也许潜伏的东西并不能很有效地形成。或者潜伏可能形成,然后被摧毁。一个可能被摧毁的原因是,正如我们之前看到的,潮汐使卫星的轨道膨胀。我们自己的Moon被认为是被潮汐从几个地球半径向外推到它现在的位置,在60的地球半径之外。在他们的历史早期,许多卫星更靠近他们的行星,那里的卫星无法生存。所以,当这些卫星今天处于低地轨道上时,它们曾经拥有的任何小卫星早就消失了。当然,也有其他的方式可能会丢失,例如通过卫星之间的重力推挤(以同样的方式,月亮可能会丢失在行星-行星相互作用;见此处)。

我们现在可以回答我们开始的问题:为什么月亮没有月亮?潮汐阻止了大多数卫星拥有自己的卫星,因为这些卫星丢失了。关于月亮的故事,更多的是可以容纳低等卫星,而不是卫星。这些卫星可能从未形成过子卫星,或者可能形成了卫星,但被另一个过程所丢失。下一步:如果一个潜艇系统确实存在,它可能不能拥有自己的子潜艇,因为所有的东西会被挤压得更近,使得潮汐更加强烈。

但一切都没有失去…

在我们结束之前,让我们做一个思想实验。让我们想象一下像Kelper-1625系统那样的设置,但它对生活更友好。让我们想象一个气体巨星在它的恒星的可居住地带,月亮比海王星在一个大轨道上更大。这个月球原则上可以容纳一个和月球一样大的长寿潜艇,我们可以想象它是一个可以居住的“迷你地球”。它看起来就像《阿凡达》里的潘多拉,只有天空中那颗蓝色的大行星,才是一颗更大质量的类木星行星的主星。看起来会像这样:

具有可居住月球的系统的动画。这样的系统在结构上可以类似于开普尔1625B候选系统。

宜居的次月球系统将是稳定的。与可居住的月球系统相比,它有一些有趣的差异。它的一天将由围绕它的卫星的轨道控制,而不是围绕着行星或恒星。对于我们所设想的设置-一个迷你地球潜艇围绕着一个类似海王星的月球绕着一个大木星运行-潜艇的轨道周期大约在半天到两天之间。假设月球被潮汐锁定在月球上,这将使它的一天像地球一样长。可居住的卫星会经历非常强的潮汐强迫来自它们的宿主月球以及行星。希望这不会妨碍居住,但火山可能会非常普遍!