地球不止一颗卫星

轨道力学的怪异之处使得一群绕太阳运行的小行星看起来像是地球的卫星

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

一些太阳轨道与地球非常相似的小行星实际上充当了我们星球的准卫星。

Aleksandra Malysheva/Getty Images

这是一个脑筋急转弯问题:地球有多少颗卫星?需要明确的是,我指的是天然卫星,而不是人造卫星。

我提醒您,这是一个脑筋急转弯问题。

答案是一颗——月球。明白了吗?很狡猾吧。但还有另一部分:如果你改变你的参考系并稍微眯起眼睛看,答案更像是七颗。如果你再开阔一下思路,这个数字还会更高。


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这怎么可能呢?为了解释清楚,我们来谈谈准卫星和马蹄形轨道。

轨道力学是一个奇怪的学科。如果你有一个单独的物体——比如一颗行星——围绕另一个单独的物体——一颗恒星——运行,那么事情就相对简单了。轨道可能是圆形或更椭圆(拉长)或其他各种数学形状。行星绕恒星运行一周所需的时间称为行星的轨道周期,它往往保持相当恒定。(对于圆形轨道,行星的速度保持恒定。但如果轨道是椭圆,则行星在靠近恒星时会稍微加速,而在远离恒星时会减速。)

现在,假设有第二个物体,例如小行星,在围绕恒星运行。它也可能沿着圆形路径或更椭圆的路径运行。从局外人的崇高视角来看,这两个物体都以不同的速度和不同的周期沿着各自的路径运行。

奇怪之处就在这里。假设小行星的轨道大小与行星的轨道大小非常相似,但略微呈椭圆形。此外,这个物体与恒星的距离恰到好处,以至于它的周期几乎与行星的周期完全相同。不仅如此,当它们绕太阳运行时,它恰好在太空中靠近行星。从我们的局外人角度来看,我们看到它们都在绕恒星运行,每个物体都在相同的时间内完成一次轨道运行。然而,有时小行星比行星移动得稍快一些,有时则慢一些,尽管平均而言,它的轨道速度与行星的大致相同。

更详细地说,当小行星远离恒星,在行星轨道之外时,它会减速并落后。然后它会下降到更靠近恒星的位置,加速并超过行星。然后它又向外落下并减速,然后模式重复。

这并不太奇怪,但如果你从行星的角度观察小行星,它看起来会非常不同。从那个有利位置来看,小行星似乎总是靠近行星,有时更靠近太阳并超前运动,有时更远并向相反方向运动。换句话说,看起来小行星正在围绕行星运行!

这很像卫星的运动。然而,这是一种错觉,因为小行星实际上并没有绕行星运行。相反,它正在绕太阳运行。小行星的运动与行星的运动对齐,因此这颗太空岩石看起来像是在围绕地球旋转。

这种运动的一个类比是,你正在三车道道路的中间车道上行驶。想象一下,一辆汽车从左侧超过你,超过你,然后一直变道到右侧车道。然后它减速,落到你后面,加速并再次从左侧超过你。看起来这辆汽车正在绕着你转圈。然而,从路边观察的人会看到它只是左右移动,时快时慢。

具有这种轨道的物体被称为准卫星或准月球。它们不是真正的卫星,因为它们实际上是绕恒星而不是行星运行——而且它们往往离行星太远,无法受到行星的引力束缚。

我们开始提出的脑筋急转弯问题真正棘手的地方就在这里:地球有几颗以这种方式运行的准月球。

例如,469219 Kamoʻoalewa是一颗直径约 50 米的小行星,其轨道周期为 1.002 个地球年——仅比地球的周期长约 17 小时!它的轨道略微呈椭圆形,使其与太阳的距离比地球远和近约 1500 万公里。这颗小行星的轨道也相对于地球轨道倾斜了约 8 度。从我们的地球视角来看,Kamoʻoalewa 的运动方式就像它绕着我们运行一样,就像上面描述的“绕圈”汽车一样。

还有其他几个像 Kamoʻoalewa 这样的物体,每个物体在这种一般行为上都有自己的变化。例如,如果一颗小行星在其轨道上远远领先于地球,那么尽管它会减速和加速,它也不会落后于我们的星球。(这有点像一辆远远领先于你的汽车,即使它的速度随时间上下波动,你也永远追不上它。)从我们的角度来看,这颗小行星似乎会停留在天空的某个区域,而不是像真正的月球那样绕地球旋转。小行星 2020 PP1 就是这种准月球的一个例子

另一个奇怪的例子是 3753 Cruithne。这颗小行星绕太阳运行一周需要 364 天,这意味着它的周期比地球略短。Cruithne 的太阳轨道非常椭圆,使其与太阳的距离近和远近 7500 万公里。地球与太阳的平均轨道距离约为 1.5 亿公里,因此这是一个相当大的偏移。Cruithne 的轨道也倾斜了很多,接近 20 度。与那些其他岩石不同,从地球上看,它实际上可能在太阳的另一侧,但它偶尔也会接近我们,距离大约 1100 万公里。

从地球上看,Cruithne 似乎并没有绕我们运行,所以它并非完全是准卫星,但它变得更奇怪了:从我们星球的角度来看,这个物体似乎在一个宽阔的豆形路径上移动,该路径相对于地球和太阳的位置随时间变化,大约每 770 年描绘出一个模糊的马蹄形。虽然已知地球有七颗“真正”的准月球,但 还有更多小行星具有靠近我们的马蹄形轨道

这些轨道往往随着时间的推移变得不稳定;来自行星的引力拖拽会改变它们。有时马蹄形轨道会演变成准月球轨道,反之亦然。

目前已知只有少数几颗这样的小行星“围绕”我们的星球运行。然而,如果一个物体的轨道形状随时间变化,它可能会进入准卫星或马蹄形轨道,暂时使该物体成为地球的伴侣。

准卫星并不局限于地球:金星拥有小行星 2002 VE68,它绕太阳运行的周期几乎与金星的周期完全相同。这颗小行星被昵称为 Zoozve(令人愉快地因为太阳系海报标签上的误读),数千年来一直是金星的准月球,但它的轨道正在发生变化,很快将远离金星。

尽管很可能其他行星也有准月球,但从我们在地球上的有利位置来看,它们太遥远而难以被轻易发现。也许随着更大的望远镜上线,我们将发现更多这些奇怪的、有点像伪卫星的卫星。

但这种情况再次表明,我们对事物的坚定想法——什么是行星,什么是卫星——比你想象的要灵活得多。在科学中,最好始终避免僵化的定义,并允许自己在思考时保持灵活性。就像准卫星一样,随着时间的推移,改变你的人生道路是可能的。

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