拉扯出的引力之球——希尔球 | 鲁超

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导读

卫星也可以有天然卫星吗？不能，因为卫星的希尔球太小了。

有人提出一个很有意思的问题：卫星也可以有天然卫星吗？

单纯考虑引力，卫星当然可以让足够靠近自己的物体成为自己的卫星。然而奇怪的是，太阳系内竟然没有一颗卫星拥有自己的卫星，这太不科学了！

剧透一下这个问题的正确答案：卫星的希尔球太小了。

▲太阳系内这么多卫星，为什么没有“卫卫星”？

希尔球？这是个什么东东？

这是19世纪中叶美国天文学家乔治*希尔在洛希的基础上提出的概念，“希尔球”故而得名。太阳系里星球万千，经过了早期的混乱状态，幸存下来的都是英雄，它们划分了自己的地盘，每块地盘大致是一个球体，这就是每颗星球的“希尔球”。在某星体“希尔球”内的物体将主要受到该星体的引力作用。

▲美国天文学家希尔，“希尔球”以他的名字命名。

希尔球有多大呢？

考虑两个天体的体系，每个天体 “希尔球”的半径就是它们质心到L1点的距离。所以你懂得计算拉格朗日点，就自然会算出希尔球有多大。显然，质量较大的天体希尔球更为“壮硕”，而质量较小天体只能受大天体引力的欺负，蜗居在狭小的空间里。

▲还是这张拉格朗日点图，只考虑日地体系，太阳到L1的距离就是太阳的希尔球半径，中央大的L3到L1之间的就是太阳的希尔球，右边L1到L2之间的是地球的希尔球。

你可以这么理解，如果宇宙中只有一个天体，那它的引力等势面将形成一层又一层完美的球面，如同一层层的泡泡。但宇宙毕竟不孤独，这里只考虑两个天体，双方的引力场在相互较量一番之后，就将分出高下。如同双方的层层泡泡相互碰撞，有些互相挤压，有些合并，质量较大天体维持自己泡层的能力更强，完全属于自己的泡泡当然就更大。

▲可以用泡泡来理解希尔球。

太阳系里，太阳占据了99.86%的质量，它的引力无孔不入，几乎控盘整个太阳系。八大行星的引力泡泡都受到它的挤压，越靠近太阳，希尔球就越小，比如水星、金星、地球、火星等类地行星；而远离太阳，希尔球就越大，虽然木星的质量远大于海王星，然而由于海王星距离太阳最远，反而拥有最大的希尔球。

另一方面，希尔球还与天体的平均密度有关，你看虽然类地行星的质量远小于木星、土星等庞然大物，但由于它们的密度是木星的4倍左右，因此希尔球也没见的小太多。

▲八大行星和一些小行星、矮行星的希尔球半径。从左到右：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、谷神星、冥王星、阋神星。

有人开始开脑洞了：“我也有希尔球吗？”

答案是：“有，但是太小了，没有意义。”

那么升级一下：“航天飞机有希尔球吗？这样宇航员就可以绕着航天飞机转了。”

假设航天飞机的重量是100吨，在距离地球表面300km的太空中飞行，那么可以计算出它的希尔球半径是1.2米，比它自身还小。

▲如果太空中只有一辆特斯拉，那么让高尔夫球绕着它旋转是容易做到的事情。

根据前面所述，密度和引力场是决定希尔球大小的重要因素，因此也不是说绝对不可能，一方面离地球远一点，另一方面提高物体的密度，就可以让它一边绕着地球转，还能拥有较大的希尔球。经过计算，如果在地球同步轨道（36000km）上放一个物体，密度达到55g/cm3，那就有可能拥有自己的希尔球，让别的物体绕自己旋转。可是，到哪去找如此之重的普通物质？地球上常见的物质中，密度最大的锇也只有22.59g/cm3。

别跟我提什么白矮星超固态，中子星中子态什么的，地球上没有！

▲锇金属是常见物质中密度最大的。

回到之前的问题：卫星可以有天然卫星吗？

理论上当然是可以有的，君不见，人类不是发射了很多人造卫星进入月球轨道吗？事实上，太阳系里，就有小行星拥有自己的天然卫星。

有一颗小行星1999 KW4，以一个椭圆轨道绕太阳运行，近日点比水星轨道还靠近太阳，仅有0.2个天文单位，而远日点很接近地球，为1.1个天文单位，经过计算，它将在2036年5月25日掠过地球，与地球的距离仅有200万公里，因此这是一颗危险的小行星，需要严密关注。

有意思的是这颗小行星虽然很小，直径只有1.3-1.5km，却有个伴——直径仅为360m的小天体绕着这颗小行星，成为它的卫星。

▲拥有卫星的小行星小行星1999 KW4。

然而这毕竟只是个例，事实是冷酷的，现在已经发现太阳系里的185颗卫星，无一拥有自己的“卫卫星”。（叫这个名字好吗？）

宇宙是冷漠的，万有引力定律无处不在，顺之者昌逆之者亡。太阳系又是拥挤的，木星、土星这种巨无霸所到之处，就好像海峡里穿过了一艘巨型航母，海浪波及甚远，一次又一次拷问着弱小天体的 “希尔球”。这些弱小的卫星自己尚且不保（没看到木卫一经常被拉扯到“吐”吗？），覆巢之下，安有完卵乎？

总之，经过了漫长的天文学时间，即使最初有一些“卫卫星”，也早被各大行星扫除干净了。

▲木卫一上拍摄到的火山爆发，源自木星的强大引力。

还可以解释为何水星没有卫星的问题。水星距离太阳太近，希尔球最小，就算曾经有卫星，也早被太阳的引力击穿希尔球，卫星要么撞击水星或太阳，要么浪迹天涯了。

▲从这张图上来看，水星（Mercury）还没有太阳黑子（Sunspot）大，就这样还想当大哥？省省吧。

天文学家们还曾经为土卫八（伊阿珀托斯）的赤道脊而困扰，这条高达10-20km的赤道脊让土卫八看起来非常像一颗核桃。有人提出，这是因为土卫八曾经拥有一颗“卫卫星”，而后被土星的引力撕裂，一部分残骸落到了土星表面，形成了这一条耸立入云（很好奇，土卫八上有云吗？）的山脉。

▲形似核桃的土卫八。看到那条赤道脊了吗？

总之，如果有人问，天体们拉拉扯扯最后成什么了？我们可以大致这样回答一下：拉扯成球球了。

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背景简介：本文作者鲁超，江苏省科普作家协会科幻专业委员会副主任，江苏省科普作家协会会员。毕业于南京大学物理系，代表作品《鬼脸化学课——元素家族》，被列为中国化学会“IYPT 2019·优秀科普图书”书目，并获得第十届江苏省优秀科普作品一等奖。本文2019年2月28日发表于微信公众号 理性边界（拉扯出的引力之球——希尔球），风云之声获授权转载。

责任编辑：陈昕悦