卫星为何不会相撞?共振让天体之间存在牵绊

随着宇宙探测技术日益发展，人们在行星周围发现的卫星越来越多。

截至2019年10月7日，人们发现土星伴有82颗卫星，成为太阳系中卫星最多的行星，反超之前稳坐第一宝座、拥有79颗卫星的木星。八大行星中，距离地球十分遥远的海王星也被发现有十余颗卫星。如此多的卫星“共事一主”，它们会擦出怎样的火花?卫星在运行过程中不会相撞吗?

事实上，大多数情况下，它们尽量不“争宠”，相安无事。近期，美国国家航空航天局(NASA)就发现，海王星的两颗卫星轨道就上演着一场“躲避之舞”。

共振：让天体之间存有牵绊

海卫三(Naiad)与海卫四(Thalassa)的轨道半径相差仅1850公里，假如二者轨道处于同一平面，理论上这两颗卫星在某一时间将以如此近的距离“擦身而过”。但实际上并非如此。

NASA喷气推进实验室太阳系动力学专家玛丽娜·布罗佐维奇领衔的研究团队发现，海卫三和海卫四的最短距离约为3540公里，接近轨道距离的2倍。如果以海卫四的轨道平面为参考平面，海卫三的轨道是倾斜的，而且倾斜得“恰到好处”。想象一下，当海卫四正在自己的轨道上优哉游哉地转着，海卫三却逐渐逼近，但在快要接近海卫四时，又逐渐跳到参考平面的上方，拉开了与海卫四的距离。这样“刻意保持距离”的相遇每隔一段时间就会重复一次。研究人员称之为“躲避之舞”。

研究人员认为，即使以太阳系外围的标准来衡量，海王星这两颗卫星的轨道构型之奇特也是前所未有的。

“我们把这种重复模式称为共振。行星、卫星和小行星可以跳出很多不同类型的共振‘舞蹈’，但这一种我们从未见过。”玛丽娜·布罗佐维奇说。

共振，是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形。就像一根绳子吊着一个铁球在同一平面内摆动，如果总是在铁球达到最高点时用手施加一个正向的力，球摆动的幅度就会越来越大。那么，摆动的球和施加力的手就组成了一个处于共振状态的物理系统。

“人们很早就发现，这种共振构型在太阳系中也普遍存在。”中国南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇在接受科技日报记者采访时表示，共振能够相互影响天体的轨道参数，就像一种无形的绳索一样把2个天体或多个共振天体紧密地联系起来，甚至能够“锁定”轨道。

要知道，太阳系中存在无数个天体，每一个天体都意味着一份万有引力。尤其当我们的研究对象是“块头”不大的卫星时，外界稍有扰动力，可能都会对卫星的轨道产生影响。这种情况下，也许连卫星自己都不能精确地预测，下一刻它会出现在哪个地方，是否会逃出行星的掌控。但是，如果卫星和周围的“小伙伴”们产生共振，那么卫星轨道就可以逐渐固定下来，轨道构型也通常会以某一特定的方式隔一段时间重复一次。共振卫星交会时，也会趋向于保持更远的距离，以减小引力的影响，保持轨道稳定，就像此次发现的海王星两颗卫星轨道构型一样。

周礼勇表示，尽管卫星的轨道往往是不同轨道半径的圆或椭圆，通常不存在相撞的风险，但共振机制无疑为避免相撞又提供了一种额外的保护机制。

倾角：为罕见之舞提供平台

“此次发现的共振类型属于倾角型平运动共振。”周礼勇说。

“太阳系天体之间的共振有很多类型，包括平运动共振、长期共振、轨道自旋共振等。按照参与天体的个数还可以分类成两体共振、三体共振等。”周礼勇告诉科技日报记者，其中最常见、人们研究最多的是两体共振中的平运动共振。

当行星、卫星之间的轨道频率或周期相等，或存在简单整数比关系时，我们就认为这些天体之间存在平运动共振现象。平运动共振又可细分为偏心率型共振和倾角型共振。前者的共振天体轨道平面往往处于同一平面或两个轨道面夹角不大，如海王星和冥王星之间的3∶2共振、土卫六和土卫七之间的4∶3共振、土卫一和土卫三之间的2∶1共振;后者共振天体处于不同平面，如此次发现的海卫三和海卫四之间的73∶69共振。

“不仅倾角型共振在太阳系中十分罕见，如此大的整数比也非同寻常。”在周礼勇看来，与以往人们发现的共振模型相比，这次两颗卫星的频率之比更接近于1。理论上来讲，大整数比的共振天体轨道不甚稳定，因为天体落入相邻比例共振构型的几率在大大增加。以海卫三和海卫四构成的共振构型为例，稍有扰动，就可能让这两颗卫星的共振变为74∶69或73∶70等接近于1的数值，但如果想让海王星和冥王星之间由3∶2共振转变为2∶1或3∶1等其他共振，也很难实现。

因此，海卫三、海卫四这两颗卫星靠得如此之近，且稳定运动，“很奇特，就像是被人特意放进去的一样。”周礼勇说。