地球不止一顆衛星

軌道力學的怪異之處使得一群繞太陽執行的小行星看起來像是地球的衛星

3D illustration of an asteroid in the foreground approaching Earth's orbit, which is seen in the background, out of focus

一些太陽軌道與地球非常相似的小行星實際上充當了我們星球的準衛星。

Aleksandra Malysheva/Getty Images

這是一個腦筋急轉彎問題:地球有多少顆衛星?需要明確的是,我指的是天然衛星,而不是人造衛星。

我提醒您,這是一個腦筋急轉彎問題。

答案是一顆——月球。明白了嗎?很狡猾吧。但還有另一部分:如果你改變你的參考系並稍微眯起眼睛看,答案更像是七顆。如果你再開闊一下思路,這個數字還會更高。


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這怎麼可能呢?為了解釋清楚,我們來談談準衛星和馬蹄形軌道。

軌道力學是一個奇怪的學科。如果你有一個單獨的物體——比如一顆行星——圍繞另一個單獨的物體——一顆恆星——執行,那麼事情就相對簡單了。軌道可能是圓形或更橢圓(拉長)或其他各種數學形狀。行星繞恆星執行一週所需的時間稱為行星的軌道週期,它往往保持相當恆定。(對於圓形軌道,行星的速度保持恆定。但如果軌道是橢圓,則行星在靠近恆星時會稍微加速,而在遠離恆星時會減速。)

現在,假設有第二個物體,例如小行星,在圍繞恆星執行。它也可能沿著圓形路徑或更橢圓的路徑執行。從局外人的崇高視角來看,這兩個物體都以不同的速度和不同的週期沿著各自的路徑執行。

奇怪之處就在這裡。假設小行星的軌道大小與行星的軌道大小非常相似,但略微呈橢圓形。此外,這個物體與恆星的距離恰到好處,以至於它的週期幾乎與行星的週期完全相同。不僅如此,當它們繞太陽執行時,它恰好在太空中靠近行星。從我們的局外人角度來看,我們看到它們都在繞恆星執行,每個物體都在相同的時間內完成一次軌道執行。然而,有時小行星比行星移動得稍快一些,有時則慢一些,儘管平均而言,它的軌道速度與行星的大致相同。

更詳細地說,當小行星遠離恆星,在行星軌道之外時,它會減速並落後。然後它會下降到更靠近恆星的位置,加速並超過行星。然後它又向外落下並減速,然後模式重複。

這並不太奇怪,但如果你從行星的角度觀察小行星,它看起來會非常不同。從那個有利位置來看,小行星似乎總是靠近行星,有時更靠近太陽並超前運動,有時更遠並向相反方向運動。換句話說,看起來小行星正在圍繞行星執行!

這很像衛星的運動。然而,這是一種錯覺,因為小行星實際上並沒有繞行星執行。相反,它正在繞太陽執行。小行星的運動與行星的運動對齊,因此這顆太空岩石看起來像是在圍繞地球旋轉。

這種運動的一個類比是,你正在三車道道路的中間車道上行駛。想象一下,一輛汽車從左側超過你,超過你,然後一直變道到右側車道。然後它減速,落到你後面,加速並再次從左側超過你。看起來這輛汽車正在繞著你轉圈。然而,從路邊觀察的人會看到它只是左右移動,時快時慢。

具有這種軌道的物體被稱為準衛星或準月球。它們不是真正的衛星,因為它們實際上是繞恆星而不是行星執行——而且它們往往離行星太遠,無法受到行星的引力束縛。

我們開始提出的腦筋急轉彎問題真正棘手的地方就在這裡:地球有幾顆以這種方式執行的準月球。

例如,469219 Kamoʻoalewa是一顆直徑約 50 米的小行星,其軌道週期為 1.002 個地球年——僅比地球的週期長約 17 小時!它的軌道略微呈橢圓形,使其與太陽的距離比地球遠和近約 1500 萬公里。這顆小行星的軌道也相對於地球軌道傾斜了約 8 度。從我們的地球視角來看,Kamoʻoalewa 的運動方式就像它繞著我們執行一樣,就像上面描述的“繞圈”汽車一樣。

還有其他幾個像 Kamoʻoalewa 這樣的物體,每個物體在這種一般行為上都有自己的變化。例如,如果一顆小行星在其軌道上遠遠領先於地球,那麼儘管它會減速和加速,它也不會落後於我們的星球。(這有點像一輛遠遠領先於你的汽車,即使它的速度隨時間上下波動,你也永遠追不上它。)從我們的角度來看,這顆小行星似乎會停留在天空的某個區域,而不是像真正的月球那樣繞地球旋轉。小行星 2020 PP1 就是這種準月球的一個例子

另一個奇怪的例子是 3753 Cruithne。這顆小行星繞太陽執行一週需要 364 天,這意味著它的週期比地球略短。Cruithne 的太陽軌道非常橢圓,使其與太陽的距離近和遠近 7500 萬公里。地球與太陽的平均軌道距離約為 1.5 億公里,因此這是一個相當大的偏移。Cruithne 的軌道也傾斜了很多,接近 20 度。與那些其他岩石不同,從地球上看,它實際上可能在太陽的另一側,但它偶爾也會接近我們,距離大約 1100 萬公里。

從地球上看,Cruithne 似乎並沒有繞我們執行,所以它並非完全是準衛星,但它變得更奇怪了:從我們星球的角度來看,這個物體似乎在一個寬闊的豆形路徑上移動,該路徑相對於地球和太陽的位置隨時間變化,大約每 770 年描繪出一個模糊的馬蹄形。雖然已知地球有七顆“真正”的準月球,但 還有更多小行星具有靠近我們的馬蹄形軌道

這些軌道往往隨著時間的推移變得不穩定;來自行星的引力拖拽會改變它們。有時馬蹄形軌道會演變成準月球軌道,反之亦然。

目前已知只有少數幾顆這樣的小行星“圍繞”我們的星球執行。然而,如果一個物體的軌道形狀隨時間變化,它可能會進入準衛星或馬蹄形軌道,暫時使該物體成為地球的伴侶。

準衛星並不侷限於地球:金星擁有小行星 2002 VE68,它繞太陽執行的週期幾乎與金星的週期完全相同。這顆小行星被暱稱為 Zoozve(令人愉快地因為太陽系海報標籤上的誤讀),數千年來一直是金星的準月球,但它的軌道正在發生變化,很快將遠離金星。

儘管很可能其他行星也有準月球,但從我們在地球上的有利位置來看,它們太遙遠而難以被輕易發現。也許隨著更大的望遠鏡上線,我們將發現更多這些奇怪的、有點像偽衛星的衛星。

但這種情況再次表明,我們對事物的堅定想法——什麼是行星,什麼是衛星——比你想象的要靈活得多。在科學中,最好始終避免僵化的定義,並允許自己在思考時保持靈活性。就像準衛星一樣,隨著時間的推移,改變你的人生道路是可能的。

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