為什麼木星有「小太陽系」的美稱?
因為木星是太陽系裡質量最大的行星,甚至有可能是太陽系中最早形成的一顆行星(Kruijera et al., 2017, PNAS),正如它的名字朱庇特(羅馬神話中的眾神之王)一樣,木星在太陽系中不可撼動的霸主地位對木星系的形成和演化、對木星系的構成帶來了重大影響。木星系的「小太陽系」之稱,主要體現在這兩個方面:
1. 木星系中衛星的位置和太陽系中行星的位置有相似的規律
人們很早就發現,太陽系中水星到天王星之間的行星間的間隔距離有一定的規律,這一規律被稱為提丟斯-波得定則。也就是說,如果以日地的平均距離為1個單位的話,那麼水星和金星間的間隔是0.3、金星和地球間的間隔是0.3、地球和火星間的間隔是0.6、火星和穀神星(小行星帶)的間隔是1.2……後兩者間的間隔是前兩者的兩倍,這和實際觀測值符合得非常好。事實上,正是這一規律曾經比較準確地預測了穀神星和天王星的軌道。而相似的,木星主要衛星距離分布也有類似的規律。
當然,後來人們也發現,擁有眾多衛星的幾個大天體(土星、天王星)的主要衛星也有類似的位置分布規律,因此提丟斯-波得定則可能僅僅是穩定的行星系統軌道共振的情況下會有的規律性間隔,並不具有特別特殊的物理原因。
2. 土星系的主要衛星的活躍性衰減程度和內太陽系的行星相似
雖然木星系中的衛星沒有太陽能作為主要能量來源,但木星以其巨大的質量提供了無與倫比的潮汐熱能,使得木星系中的主要衛星也隨著其離木星距離的增大,「受到」(其實是產生)的熱量越來越小。
以木衛一到木衛四四顆木星最大的衛星(也被稱為伽利略衛星,因為是伽利略首先發現的)為例:
離木星最近的木衛一Io會產生最強的潮汐熱,劇烈的熱能使得木衛一內部被充分熔融,並在表面產生了大量的火山活動,木衛一的黃色,就是火山活動釋放的硫化物的顏色,同時輕的元素難以留住,因此木衛一也是四顆衛星中密度最大的;而稍遠的木衛二Eruopa,潮汐生熱略有減弱,但依然使得木衛二有著強烈的地質活動,表面有板塊活動產生的大量「裂紋」,密度雖然略有降低,但也維持在3克/立方裡面以上。同時,兩顆衛星都比較小,半徑在2000km以內。
而到了木衛三Ganymede和木衛四Callisto,潮汐熱的效應繼續降低,木衛三表面還有一部分區域可以看到板塊活動,而到了木衛四就基本上是「死的」了,除了隕石坑,表面幾乎看不到任何地質活動,這裡已經到了木星的潮汐熱(類似於太陽的陽光)觸及不到的地方了。同時,木衛三和木衛四的重物質明顯減少,兩者都以冰石為主要成分,木衛三還有明顯的殼幔核分層結構,還有金屬核,而木衛四可能只有殼幔結構。兩者的平均半徑都在2000km以上,而平均密度也陡然降到了2克/立方厘米以下。
這在一個較小的規模上重現了內太陽系岩質行星的分布。
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