https://zh.wikipedia.org/wiki/衛(wèi)星系

衛(wèi)星系是在引力束縛下環(huán)繞近行星質(zhì)量天體（如次棕矮星和星際行星）或微型行星運動，或其共同質(zhì)心運動的天體系統(tǒng)。一般而言衛(wèi)星系指的都是行星與其天然衛(wèi)星的集合，不過也可能包含環(huán)行星盤、行星環(huán)、微衛(wèi)星、小行星衛(wèi)星和人造衛(wèi)星，且它們自己可能還擁有環(huán)繞自己運動的子衛(wèi)星。有些天體擁有準衛(wèi)星，雖然受主行星的引力影響，但一般不認為其屬于衛(wèi)星系的一部分。衛(wèi)星系內(nèi)有著磁力、潮汐力、大氣層互動、軌道共振和天平動等復雜的相互作用。

許多太陽系天體都有自己的衛(wèi)星系，不過它們的起源存在很大爭議。木衛(wèi)系是已知規(guī)模最大的衛(wèi)星系，有89顆衛(wèi)星；土衛(wèi)系次之，有83顆衛(wèi)星，還有太陽系內(nèi)規(guī)模最大的行星環(huán)。它們的規(guī)模都十分大。實際上太陽系所有巨行星都有規(guī)模龐大的衛(wèi)星系和行星環(huán)，說明這是巨行星的一般環(huán)境。距太陽較遠的一些天體也有包含多顆衛(wèi)星的衛(wèi)星系，如環(huán)繞其共同質(zhì)心運動的冥衛(wèi)系，以及許多小行星和矮行星。除地月系和火衛(wèi)系之外，其他類地行星都沒有自己的天然衛(wèi)星。

雖然太陽系內(nèi)的情況暗示著衛(wèi)星系的普遍存在，但太陽系以外的衛(wèi)星系觀測困難，目前僅觀測到一個：J1407b。理論上，星際行星也可能有自己的衛(wèi)星系。

自然形成與演化

衛(wèi)星系是引力吸引作用的最終結果，也受到慣性力制約。一般認為，行星系誕生自環(huán)繞恒星的吸積盤，而衛(wèi)星系的誕生過程則還存在較大爭議。規(guī)模較大的衛(wèi)星系應是由多種不同過程共同作用的結果。

穩(wěn)定性

在包裹天體的希爾球內(nèi)部，環(huán)繞天體運動的小天體受到天體環(huán)繞的大天體的引力更小，因而可以成為天體的衛(wèi)星；希爾球之外，則受到大天體的引力更大，不會成為天體的衛(wèi)星。太陽系中，天王星和海王星因為距太陽較遠，擁有最大的希爾球，半徑超過1億km。水星和谷神星的希爾球則分別因為距太陽太近和質(zhì)量太小，半徑較小。除希爾球內(nèi)和拉格朗日點外，剩下的空間太陽引力都占據(jù)主導地位。

L4和L5附近，M1/M2接近24.96時，衛(wèi)星可以保持穩(wěn)定。位于這些點上的天體受到擾動會發(fā)生偏移，但與偏移相反的作用（重力或角動量引發(fā)的速度變化）也會隨著偏移的增減而增減，使得天體穩(wěn)定在環(huán)繞拉格朗日點的菜豆狀軌道（共旋轉(zhuǎn)參考系下）。

一般認為，衛(wèi)星公轉(zhuǎn)方向和行星自轉(zhuǎn)方向應當一致（即“順行軌道”）。以順行軌道運行的稱作規(guī)則衛(wèi)星；方向相反的則稱作“逆行軌道”，以逆行軌道運行的稱作不規(guī)則衛(wèi)星。一般認為不規(guī)則衛(wèi)星是行星引力捕獲來的。

吸積說

巨行星周圍的吸積盤的形成過程與恒星周圍的吸積盤相似，這也是天王星、土星和木星衛(wèi)星系形成的假說之一。這樣一團氣體云，在早期屬于環(huán)行星盤的一種，也稱作原衛(wèi)星盤。行星形成過程中的氣體模型符合行星衛(wèi)星質(zhì)量比為10000:1的一般規(guī)則（海王星是例外）。有人認為地月系也是通過吸積作用產(chǎn)生的，但地月系整體的角動量和月球過小的鐵核無法以此解釋。

碎屑盤

衛(wèi)星系產(chǎn)生的另一種可能機制是吸積自碎屑盤。有人認為，伽利略衛(wèi)星這樣的大衛(wèi)星可能是在較早的通過吸積產(chǎn)生的衛(wèi)星崩解之后，形成的碎屑盤重新吸積而形成的。行星環(huán)是環(huán)行星盤的一種，可能來自跌入洛希極限的衛(wèi)星的崩解。這樣的盤經(jīng)過漫長的時間，有可能重新形成自然衛(wèi)星。

大碰撞說

大碰撞說是衛(wèi)星系形成的主流假說之一，特別是對地衛(wèi)和冥衛(wèi)的形成。軌道參數(shù)和組成成分相近的衛(wèi)星系可能來自這樣的衛(wèi)星系，可能屬于同一碰撞族。計算機模擬已被用來證明，大碰撞可能是月球的起源。大碰撞之后，地球可能一度擁有多個衛(wèi)星。相似的模型也被用于解釋火、冥衛(wèi)系的產(chǎn)生。有兩組研究證實，火衛(wèi)一來自火星被小行星撞擊后拋射出的物質(zhì)。有人認為，天衛(wèi)系的獨特特征可能也來自大碰撞。針對天王星獨特的自轉(zhuǎn)方式，2018年新提出的模型認為，天王星可能與一顆有地球兩倍大的天體發(fā)生過斜向碰撞，碰撞出的殘骸產(chǎn)生了獨特的冰質(zhì)衛(wèi)星。

引力捕獲理論

有理論認為，海衛(wèi)一是通過引力捕獲成為海王星衛(wèi)星的?；鹦恰⑼列l(wèi)九可能也是通過引力捕獲而來。有些研究者認為，年輕行星周圍的超高層大氣可以減緩途經(jīng)物體運動，從而實現(xiàn)捕獲。木星和土星的不規(guī)則衛(wèi)星可能都是由引力捕獲而來。引力捕獲的標志是逆行軌道，這可以解釋為行星捕獲了從自轉(zhuǎn)朝向方向來的天體。有人試圖用捕獲說解釋月球的起源，但地月巖石有著幾乎完全一致的同位素比例，便無法用這個理論說明。

暫時捕獲

衛(wèi)星捕獲的證據(jù)可在木星捕獲的星體上直接觀察到。目前共觀測到5個類似天體，最長的約有12年?；谟嬎銠C建模，可以推定對赫林-羅曼-克羅克特彗星長18年的捕獲過程將始于2068年。然而，暫時捕獲形成的軌道十分不規(guī)則、不穩(wěn)定，而穩(wěn)定捕獲背后的理論過程可能極為罕見。

有爭議理論

一些有爭議的早期理論，如月球太空船理論（Spaceship Moon Theory）和什克洛夫斯基的"“火衛(wèi)一中空論”"認為，衛(wèi)星壓根就不是自然形成的。這些理論違背了奧卡姆剃刀原則。雖然人造衛(wèi)星現(xiàn)在在太陽系中已經(jīng)很常見了，但是其中最大的國際空間站長度僅有108.5米，比起自然衛(wèi)星過小了。

衛(wèi)星系列表

近行星質(zhì)量

較小天體

主條目：小行星衛(wèi)星

特征與互動

含有多顆近行星質(zhì)量天體的自然衛(wèi)星系內(nèi)，可能發(fā)生相當復雜的相互作用，并影響多顆天體或更大的天體系統(tǒng)。

行星環(huán)

主條目：行星環(huán)

行星環(huán)包含宇宙塵埃、微衛(wèi)星及其他小天體。最典型的是土星環(huán)，實際上其他三顆氣態(tài)巨行星（木星、天王星和海王星）也有環(huán)。系外行星研究發(fā)現(xiàn)，行星環(huán)在巨行星周圍十分常見。J1407b有半徑9000萬km（0.6AU）的行星環(huán)，有人稱其為“超級土星”。光度研究表明，PDS 110可能擁有更大的環(huán)行星盤。

其他種類的天體也被發(fā)現(xiàn)含有環(huán)。妊神星是人們發(fā)現(xiàn)的第一顆帶有環(huán)的矮行星和海王星外天體。直徑約250km的半人馬小行星女凱龍星是已知最小的有環(huán)天體，有兩條窄而密的環(huán)帶，分別有6–7km和2–4km寬，中間有9km寬的縫。土衛(wèi)五有一條較細的衛(wèi)星環(huán)，包含三條狹窄、較密集的微粒組成的盤面。這也是人類首次發(fā)現(xiàn)的衛(wèi)星環(huán)。

大部分的環(huán)都是不穩(wěn)定的，經(jīng)歷千萬年之后可能就消散了。對土星環(huán)的研究則表明，可能在太陽系形成之初就已經(jīng)有了行星環(huán)。目前理論認為，一部分環(huán)可能處在吸積為衛(wèi)星——衛(wèi)星墜入洛希極限而碎裂形成環(huán)的循環(huán)之中。該理論曾被用于解釋土星環(huán)和火衛(wèi)的形成。

引力互動

軌道布局

卡西尼定律描述了系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星的運動規(guī)律，其進動由拉普拉斯平面定義。大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)都沿著黃道平面分布。地月系是個例外，月球軌道與天球赤道平面基本重合。

天體間互相施加規(guī)律性的引力影響的現(xiàn)象，稱作軌道共振。很多衛(wèi)星系中都存在軌道共振現(xiàn)象：

• 2:4?土衛(wèi)三–土衛(wèi)一

• 1:2?土衛(wèi)四–土衛(wèi)二

• 3:4?土衛(wèi)七–土衛(wèi)六

• 1:2:4?木衛(wèi)三–木衛(wèi)二–木衛(wèi)一

• 1:3:4:5:6 近共振 -?冥衛(wèi)五、冥衛(wèi)二、冥衛(wèi)四和冥衛(wèi)三

可能的軌道互動現(xiàn)象還包括天平動和共軌構型。土衛(wèi)十和土衛(wèi)十一共用一個軌道，半長軸的差異小于兩者的平均直徑。天平動被認為是在軌天體相對于彼此的震蕩運動，地月系的天平動現(xiàn)象比較顯著。

有些系統(tǒng)圍繞著整個系統(tǒng)的共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為多星（雙星、三星等）。最知名的是冥衛(wèi)系，是一個矮行星雙星系統(tǒng)。很多小行星之間也會形成類似的系統(tǒng)，如休神星和(66063) 1998 RO1。有些軌道互動和雙星結構中，較小的衛(wèi)星不再維持球形，并混亂地震蕩而非公轉(zhuǎn)，如冥衛(wèi)二、冥衛(wèi)三和土衛(wèi)七。

潮汐力

潮汐力可以對行星和衛(wèi)星都產(chǎn)生影響。月球的潮汐力使得地球和水圈產(chǎn)生輕微變形；其他衛(wèi)星系中，類似的潮汐作用產(chǎn)生的摩擦生熱是衛(wèi)星地質(zhì)作用動力的主要熱源。另一個物理變形的極端例子是近地小行星66391受其衛(wèi)星潮汐力作用而產(chǎn)生的大型赤道脊，這樣的變形可能在其他近地小行星上也常見。

潮汐力還包括穩(wěn)定軌道的改變。如海衛(wèi)一的軌道36億年來一直在下降，這會使得其最終越過海王星的洛希極限，跌入海王星大氣層，形成與土星環(huán)類似的環(huán)?；鹦l(wèi)一也發(fā)生著類似的事，預計在5000萬年內(nèi)它要么碎裂為環(huán)帶，要么墜落到火星上。潮汐力將月球逐漸推離地球，最終會擺脫地球的引力約束。

攝動與失穩(wěn)

大多數(shù)衛(wèi)星系在潮汐力作用下也能保持長期的穩(wěn)定。衛(wèi)星間的攝動在早期階段常會使得系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，使得衛(wèi)星被彈射出去或與別的天體相撞。計算機模擬顯示，正是這樣的互動導致天王星的內(nèi)層衛(wèi)星運動變得混沌而不穩(wěn)定。木衛(wèi)一的部分活動可能是受木衛(wèi)二的引力攝動和軌道共振引發(fā)的。海王星的行星衛(wèi)星質(zhì)量比與其他氣態(tài)巨行星上觀察到的1:10000不同，可能也是由于引力攝動。與地月系相關的一個理論認為，與月球一同形成的一顆伴星在早期受到月球引力攝動的影響，撞擊了月球。

大氣與磁力互動

主條目：氣體環(huán)

有些衛(wèi)星系的天體間存在氣體互動，比較顯著的是木衛(wèi)、土衛(wèi)和冥衛(wèi)系。木衛(wèi)一磁場會將木衛(wèi)一上的氧和硫帶到木星和其他衛(wèi)星上。土衛(wèi)二產(chǎn)生的氧氣和氫氣形成了環(huán)繞土星的E環(huán)。冥王星和冥衛(wèi)一之間的氮氣交換被新視野號觀察到。土衛(wèi)六（氮）和海衛(wèi)一（氫）也都會產(chǎn)生氣體，并形成環(huán)繞行星的氣體環(huán)。

衛(wèi)星系中存在復雜的磁場作用。最顯著的是木星和木衛(wèi)一、木衛(wèi)三之間的相互作用。觀測證實，這樣的互動可能使得衛(wèi)星大氣消散，并產(chǎn)生獨特的極光。

研究史

對衛(wèi)星系的研究實際上從史前時代就開始了，最早的人類便在研究月亮。最早的天文學模型便是圍繞著繞著地球轉(zhuǎn)的“天球”建立的，這就是地心說。然而，地心說一般不考慮其他天體圍繞行星運轉(zhuǎn)的可能性。

塞琉西亞的塞琉古（公元前190—？）的觀測可能囊括了潮汐，他最后的結論是月亮吸引著潮汐運動。

隨著16世紀日心說的風行，人們的關注點逐漸移動到行星，衛(wèi)星的系統(tǒng)則不被人關注。尼古拉斯·哥白尼在卒年（1543）出版了《天體運行論》，書中提出了月球繞著地球轉(zhuǎn)的模型。

直到1609或1610年，伽利略發(fā)現(xiàn)伽利略衛(wèi)星，圍繞天體運行的天體才最終得到確證。

惠更斯于1655年觀測土星時，最早提出了行星環(huán)的存在。

首個探測地球以外衛(wèi)星系的探測器是1969年發(fā)射的水手7號，其探測了火衛(wèi)一。旅行者1號和旅行者2號于1979年首次近距離探測了木衛(wèi)。

區(qū)域與宜居性

參見：衛(wèi)星宜居性

基于潮汐加熱模型，科學家們?yōu)樾l(wèi)星系劃定了像行星系分區(qū)那樣的區(qū)域。其中一個被稱作“環(huán)行星宜居帶”，該理論認為，比宜居帶更靠內(nèi)的衛(wèi)星便不能在地表維持足夠的液態(tài)水。將日食影響、軌道穩(wěn)定性和偏心率納入考量后，在恒星的宜居帶內(nèi)，能存在環(huán)行星宜居帶的最小的行星質(zhì)量約是0.2倍太陽質(zhì)量。

系外衛(wèi)星的磁場環(huán)境主要由行星的磁場強度決定，也是影響系外衛(wèi)星宜居性的重要因素。最值得注意的是，從光照和潮汐加熱的角度來看，距巨行星5至20倍行星半徑的衛(wèi)星宜居性雖然較高，但行星磁層仍會嚴重影響宜居性。