为什么土星有环，火星没有？其实火星曾经有环，以后还会有
很多人都知道，火星有两颗卫星，分别为火卫一（Phobos）与火卫二（Deimos）。最近，一项新研究提出：火星卫星并非一次性形成后就不再变化，而是在环与卫星状态之间循环转变。这次，我们就介绍这个有趣的模型，以及此前就已被提出的相关模型。
撰文 王善钦（加州大学伯克利分校天文系）
编辑 丁家琦
赛先生“中小学生评审”林彧正为本文提出了修订意见，同时撰写了点评。
题图：火星环的艺术想象图（来源：Tushar Mittal）
小黑板
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，法国天文学家洛希首先研究了这个问题，因此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、天王星与海王星也有环，这四个行星都是太阳系中的气态巨行星。太阳系中另外四个大行星（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，因此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同时形成的；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，最后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）、最后留下两个小卫星（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，火卫一的前身首次进入洛希极限内，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，形成陨石雨，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。因此，新的卫星的质量只有前身质量的五分之一。
此后，新的卫星再次进入洛希极限、并再次被撕碎为环，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，因此可以预期，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，其质量与现在的土星环差不多，其相对结实的部分将继续靠近火星，直到最后撞击火星。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。
现在我们来总结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等人首次给出了环形成的具体过程。第二，Hesselbrock与Minton的新研究首次提出：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！
附录：
1、Rosenblatt等人的论文：
http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n8/full/ngeo2742.html
2、Hesselbrock与Minton的论文：
http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2916.html
3、Black与Mittal的论文：
http://www.nature.com/ngeo/journal/v8/n12/full/ngeo2583.html
赛先生青少年评审：
林彧正（16岁，高二学生，来自北京市十一学校）
简介： 一个天文爱好者
点评：作者从火星的两颗卫星的大小、轨道和起源的理论引入了一系列关于火星卫星的命运的理论研究，其中最有趣的是“行星-环-行星”周期的理论。一个科学理论成功的关键不仅仅是解释某个事实，更重要的是能够预测一些现象。所以作者在最后提到了发射火星车来验证这些理论的构想，体现出了理论通过实验的检验的重要性。
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