发现卫星之旅

谁是“卫星王”

1610年，伽利略用他的望远镜观测到木星旁边有4个亮点，它们是木星的4颗最大的卫星。在此之前，人们只能用肉眼观测星空，而天文望远镜的出现拓展了人类的视野，也开启了发现卫星的时代。

到了2010年，天文学家已在太阳系中命名了170颗卫星，其数量是行星的20多倍。随着观测手段的不断提升和研究的不断深入，尤其是航天时代到来后，大型望远镜、太空望远镜和太空探测器被广泛使用，人类对卫星世界的认识有了前所未有的突破。

在太阳系里，人们并未在每颗行星周围都发现卫星。例如水星和金星，人们至今也没有发现它们有卫星，至于地球，则只发现了月亮这一颗卫星。大致上说，在靠近太阳的内太阳系（太阳系中从太阳到小行星带之间的区域）里，行星都相对较小，而且是固体，它们的周围只有极少的卫星，或者没有卫星。但在外太阳系（内太阳系以外的太阳系区域），木星、土星、天王星和海王星都是大个头的气体巨行星，它们的周围汇聚了不少卫星，而且，其数量还随着人类发现卫星的步伐不断变化。2019年，土星增加了20颗新卫星，它的卫星总数达到83颗，成为当时太阳系中拥有最多卫星的行星。

木星的卫星数目也在增长。2023年2月，科学家在2021年至2022年间对木星系统的观测数据中发现了12颗新卫星，使其卫星总数达到92颗。于是，木星超越了土星，成为“太阳系中拥有最多卫星的行星”。

但木星的这个荣耀仅仅维持了几个月，因为土星又反超了。2023年5月，一个国际天文学家团队宣布在土星周围一举发现了62颗新卫星，使土星的卫星总数猛增到令人难以置信的145颗。这不仅使土星夺回了太阳系“卫星王”的桂冠，也标志着土星成了太阳系中迄今已知的第一颗被超过100颗卫星环绕的行星。

卫星“社区”的形成

新一批土星卫星的发现有赖于一种名为“移位叠加”的技术，由于这项技术的运用，科学家得以在土星周围发现更小、更暗的卫星。

所谓“移位叠加”，简单地说，就是将卫星的一组图像“叠加”起来以增强来自卫星的信号。这样一来，那些因太暗而无法在单一图像中看到的卫星便可以在合成图像中显示出来。天文学家曾使用这种方法寻找天王星和海王星周围的卫星，但应用于太阳系第二大行星——土星上，这是第一次。

倘若在一颗行星周围发现了疑似卫星的天体，人们便要对其身份进行认真辨别，因为它们很可能只是短暂地从该行星附近路过的小行星，而不一定就是环绕这颗行星运行的卫星。科学家早在2019年就在土星周围发现了一些疑似卫星的天体，他们花了数年时间对这些天体进行跟踪观测，其目的就是将其中真正的卫星鉴别出来。

关于卫星的形成，科学家早已提出了相关的理论，大致上有“同源说”“俘获说”和“碰撞说”等几种。科学家推测，地球所在的太阳系形成于一团由原始气体和尘埃组成的星云中。开始时，这团星云是旋转的球状物，由于引力的作用，星云逐渐坍塌变得扁平，从而形成行星盘，继而通过凝聚在中心形成太阳，周围物质则由内向外形成各大行星和卫星。科学家认为，这个理论应该也适用于解释整个宇宙中行星系的形成。

很显然，在这个行星盘里，盘的中心区域和外围区域的环境是很不相同的。在盘的中心区域，大量气体分子被强劲的太阳风吹散，并且太阳的热力导致那里的温度异常高，只有熔点高的金属和硅酸盐能够在那样的地方存在，并渐渐地聚集成固体的行星，它们便是内太阳系中的水星、金星、火星和地球。

在盘的外围区域，情况则很不一样。由于风的威力不足以“吹散”附着在天体上的气体分子，因而那里的行星可以“长”得很大，形成大个头的气体巨行星，即存在于外太阳系的木星、土星、天王星和海王星。行星巨大的引力使周围的物质汇集在附近，成了围绕它们运行的大量卫星。由于距离太阳远，它们的卫星受太阳引力的干扰小，容易固定在轨道上环绕它们运行。因此，在外太阳系，大量卫星便聚在那些气体巨行星的周围，形成了大小不一的卫星“社区”。

千差万别的卫星世界

星云理论解释了相当一部分卫星的形成，表明它们大致和行星盘中古老的恒星和行星同期形成，它们的形成符合“同源说”，即太阳系中的行星和卫星都是由太阳系星云吸积而成的。一般来说，这样形成的卫星都很有规律地环绕着自己的行星运行，拥有大致相同的运行状态，且大都是顺行的，自转轴和公转轨道面呈大致垂直的状态。但人们在卫星世界中也经常发现用“同源说”难以解释的情形。例如土卫九，它的公转轨道面与其他土星卫星不在同一个轨道平面上，而且它是逆行的，即它的公转方向与行星的自转方向是相反的，这表明它可能并非“土生土长”的，而是来自其他地方。

那么，土卫九究竟来自何方呢？2000年，科学家在美国夏威夷使用大型天文望远镜上的光谱仪观测到土卫九上存在水冰。2004年， “卡西尼号”行星际探测器探测到土卫九的物质组成与冥王星相似，主要由冰、岩石和含碳化合物组成。由此人们推测，土卫九很有可能来自远离太阳的极为寒冷的柯伊伯带。这样的情况，在太阳系的卫星世界中还有不少，适合用“俘获说”来解释其来源，即认为卫星来自另一个地方，是在靠近行星时被该行星“俘获”的。

第三种情况是碰撞，它看来可以解释其他很多卫星的形成。月球也被认为最有可能是一次碰撞事件的产物。科学家推测，在45亿年前，原始的太阳系里存在过一颗名为“忒伊亚”的行星，由于周围天体的引力作用，忒伊亚偶然脱离了原来的轨道，与地球发生了碰撞，于是，地球的一部分被抛入太空，忒伊亚也破碎了。碰撞的碎片环绕在地球的周围，一段时间后，那些碎片通过聚合作用形成了月亮。

卫星的运行状态，以及它们与太阳的距离各不相同，使得它们各具特色、丰富多彩。前文提到，伽利略发现了木星的4颗最大的卫星，这4颗卫星又被人们统称为“伽利略卫星”，它们非常引人关注。1979年，“旅行者1号”深空探测器意外地发现了木卫一上有一团呈半圆形的烟柱，那是火山的喷发物。原来木卫一上的火山正在喷发！

木卫一是“伽利略卫星”中距离木星最近的一颗，人们在木卫一的照片上发现了很多火山口，有些正在喷发冲天的烟柱。暗黑的烟尘、高耸的火山、流动的熔岩把木卫一装扮成了太阳系中色彩极为丰富的天体。

木卫一显然是一个火山世界，但剩余的3颗“伽利略卫星”，即木卫二、木卫三和木卫四则是截然不同的世界，它们是太阳系中典型的冰卫星。探测表明，这几颗冰卫星的冰下可能还隐藏着浩瀚的海洋。

更好地认识太阳系

冰卫星并非木星独有，土星、天王星和海王星都拥有各自的冰卫星，著名的包括土卫二、天卫五、海卫一等。它们有些被认为拥有冰下海洋，有些还拥有壮观的间歇泉。现在，人们非常关注土卫六，因为它的液态海洋就在地表上。那海洋中的液体虽然并非真正的水，而是甲烷，但这样流动的液体为星球提供了活力，非常难得。

天王星和海王星也拥有众多卫星。据说天王星形成不久后受到过一次强烈的冲撞，不仅撞歪了天王星的自转轴，还同时产生了大量尘埃和气体，它们慢慢地汇聚到天王星赤道面附近，形成了星环和卫星。最早发现天王星卫星的是英国天文学家威廉·赫歇耳，他于1787年发现了天卫三和天卫四。目前天王星已被发现拥有27颗卫星。海王星最重要的卫星是海卫一和海卫二，前者是逆行卫星，后者拥有极大的轨道偏心率，两者的运行都是不规则的，这样的状态可能也肇因于碰撞和迁移。截至目前，人们在海王星周围发现了14颗卫星。

冥王星是一颗矮行星，却有一颗名为“卡戎”的冥卫一。冥卫一的体积并不大，由于冥王星太小，它们更像是一对相互环绕对方运行的双星。从2005年至2013年，哈勃太空望远镜发现了冥王星的其他4颗新卫星，分别是冥卫二“尼克斯”、冥卫三“许德拉”、冥卫四“科波若斯”和冥卫五“斯提克斯”。这样一来，人们便在冥王星的周围发现了5颗卫星。不过相较而言，后发现的4颗卫星都比冥卫一小得多。冥王星那么小，为什么还拥有不少卫星呢？科学家推测，数十亿年前，原始的冥王星和原始的冥卫一发生了剧烈的碰撞，但碰撞并没有使这两个天体完全毁灭，它们演变成了两颗相互环绕对方运行的天体，而碰撞产生的碎片则形成了其他较小的4颗卫星。

新发现的土星卫星也来自剧烈的碰撞，属于不规则卫星。与规则卫星的轨道相比，这种卫星的轨道更倾斜，即卫星环绕行星运行的轨道和行星赤道面之间的角度更大。目前，科学家根据卫星轨道倾斜程度的不同，将土星系中的不规则卫星分为三个群，分别是因纽特群、高卢群和挪威群。新发现的土星卫星绝大多数属于挪威群。研究人员认为，大约一亿年前，一颗中等大小的不规则卫星与另一颗不规则卫星在土星周围发生了碰撞，从而创造了挪威群。人们观测到，大量小卫星在土星周围的逆行轨道，即与土星自转方向相反的轨道上运行，这是约一亿年前这颗气体巨行星周围不规则卫星之间发生过碰撞的证据。

截至目前，土星已拥有121颗不规则卫星和24颗规则卫星，成为太阳系中拥有卫星数量最多的行星。未来，随着人类发现卫星的能力越来越强，一些更遥远、更暗淡和更小的卫星必将越来越多地被人们所发现，同时，人类对于太阳系的认知也会不断地深入。