远古的火星有光环吗?
SETI研究所和普渡大学的科学家们对火星上最小的卫星“火神号”进行了一项新研究，结果显示火星在几十亿年前曾有一个巨大的环状系统。
艺术家的概念红色行星——火星与光环。图片通过Kevin Gill在Flickr/ CC 2.0。
环装系统在我们的太阳系中很常见。木星、土星、天王星和海王星都有光环。目前研究上所有较小的岩石行星都没有光环，但它们中的一些行星过去可能有光环吗？2020年6月2日，来自SETI研究所和普渡大学的科学家公布了研究结果，表明火星在几十亿年前也曾拥有自己璀璨的光环。这一发现有助于解释为什么火星上最小的卫星——火卫二的轨道异常倾斜的问题。
研究人员于2020年6月1日在《天体物理学杂志通讯》上发表了这篇经过同行评议的论文。由于新冠肺炎疫情的影响，这项研究实际上也在本周(2020年6月1-3日)召开的美国天文学会第236次会议上发表。火卫一和火卫二这两个小卫星的轨道几乎与火星的赤道在同一平面上——这表明它们是与火星同时形成的——但火卫二的轨道倾斜了大约2度。这种倾斜是一个不寻常且无法解释的发现。一直以来，这个发现也被认为在火星科学方面没有那么重要。
现在看来，一直以来的那个小小的异常——火卫二的轨道相对于火星的赤道倾斜2度——为这颗红色星球的过去提供了一个非常有趣的线索……火星曾经有璀璨光环!
2009年2月21日，火星勘测轨道飞行器检测到了火星最小的卫星——火卫二。月球的倾斜轨道暗示着火星周围有一个古老的环状系统。图片由NASA/ jpl -加州理工学院/亚利桑那大学/ SETI研究所拍摄。
SETI研究所的首席作者Matija Cuk在一份声明中解释道:火神号的轨道与火星的赤道并不完全在同一平面上，这一事实被认为是不重要的，也没有人愿意去解释它。但一旦我们有了一个伟大的新想法并且我们开始采用新的视角来认识它时，我们才会意识到火卫二的轨道倾斜揭示了它自身的大秘密。
三年前，科学家提出，火卫一，即火星的两个卫星中较大的一颗，可能会周期性地为火星创建一个光环系统。若事实如此，那么火星在数十亿年的周期中已经形成了多个光环，而且未来还会产生新环。为什么出现这种现象呢？举例来讲，目前，火卫一的运行轨道正在缓慢接近火星，而最终，火星的引力会将其撕成碎片，此时该卫星的主体结构会形成一个环，之后，环内的物质会结合起来再次形成一个卫星。研究人员认为在火星的历史上，这种情况发生过很多次。一篇关于火星环系来自火卫二即火星另一颗卫星的新论文证实了这一崭新理论:
另外，2017年Hesselbrock和Minton提出，火卫一只是火星重复环系-卫星这一周期的最新产物，每个由环系内部产生的新卫星的质量都小于此前的旧卫星。在环系-卫星周期模型中，卫星形成于环的外缘，然后通过与环的引力作用向外移动。环的质量在其内缘向行星流失，一旦环的质量充分耗尽，卫星就会随之向内迁移。
这个早前的想法与涉及火卫二的新情况有什么联系呢?
据研究人员的说法，一颗新生的卫星会远离环和火星，与火卫一或任何向内移动的卫星方向相反。一颗向外移动的卫星，即便仅仅只超出了环系，也会经历轨道共振，即两个运行的天体产生相互的有规律、周期性的引力影响的情况，这样一来，准确地说，火卫二的运行周期就是火卫一的三倍。研究人员的声明解释道:
这些轨道共振很复杂，但可以预测……我们可以断定，只有向外运行的卫星才会对火卫二产生强烈的影响，这意味着火星一定有一个推动靠内卫星向外移动的环系。Cuk和他的合作者推断，这颗卫星的质量可能是火卫一的20倍，甚至可能是30多亿年前就已存在的它的“祖父”……在它之后又完成了两个环系-卫星周期，才出现最新的卫星火卫一。
在太阳系里，显然，土星是最令人熟知的拥有光环的行星，这张图就是由卡西尼号土星探测器拍下的。图片来自NASA/ JPL-Caltech.
火卫一的形成大约发生在3.5万亿年前，Cuk告诉ScienceAlert：3.5万亿年大约是我们的最佳推测。这个推测也完美的与Hesselbrock 和Minton的什么时候火星有了比火卫一质量大20倍的内卫计算结果相符合。当光环消失后，由于火星潮汐的原因（就像火卫一一样），卫星也随之下降。当卫星离火星太近时，潮汐动力会把它分裂开然后将它拉进一个新的光环，然后这个周期再次循环，大概两次，就变成了我们现在看到的火卫一。
我们都知道火卫一比火卫二要更年轻——比起几万亿年的木卫二来说，木卫一大概只有两亿年左右的历史——这也与我们的设想相同。我们惊喜的发现，火星至少拥有过一个明显的光环，并且在它的漫长的生命里，可能还有更多。这意味着，一些更小的岩石的星球也可以拥有光环，尽管我们现有的太阳系中还没有这样的例子。
另一方面来看，科学家们现在知道了在我们的太阳系里，光环的形成是一件很寻常的事。
凯莉克罗星是第一个在2014年被发现的，在太阳系中比气态巨行星和冰冻星球体积更小却拥有光环的天体。图片来自ESO。
木星，土星，天王星和海王星都以有光环而被大家熟知。但，在2014年，天文学家们发现了一颗行星——并将其命名为凯莉克罗星——它拥有两个密度大且狭窄的光环。这是第一次在所有太阳系中能找到的，比气态巨行星和冰冻星球体积更小的却拥有光环的天体。凯莉克罗星是半人马小行星群中的一颗，这个小行星群在木星和海王星之间围绕。丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的Uffe Gråe Jørgensen说到：
对我来说，我们不仅能探测到光环系统，并且能准确地找到它由两个清楚的分离的光环组成，是一件很惊奇的事情。我试着想象如果站在这个冰冻天体的表面，它小到一辆跑车都能脱离速度然后开向宇宙中，然后就能比站在月亮上1000倍接近地盯着20公里（12英里）宽的光环系统。
在2017年，也有一条行星带被发现，它在矮行星妊神星周围，妊神星在柯伊伯带海王星的轨道之外。SETI 研究院的天体物理学家马提亚库克，是这项新研究的第一作者。
透过SETI 研究院让我们展开想象。
日本航天局JASA 正打算在2024 年发布一项新的火卫一任务，旨在收集样品，然后带回地球。这将有希望提供关于火星行星带的更多线索，并且火卫一来自先前的大月亮。库克说：“我一生致力于理论计算，我认为理论计算很好，但是也在测试中，可能之后会更好”。如果我们能回到过去并且能够看到火星行星带以前的样子，那就太酷了。但是，我们仍然可以通过研究现在还存在着的两个小卫星，火卫一和火卫二所留下的线索来了解它们。
总结：关于火星的最小卫星火卫二的一个新的调查表明在几百万年前，这个星球过去有一条或多条行星带。
相关知识
火星是离太阳第四远的行星也是太阳系第二小的行星，仅比水星大些。在英语中，火星和罗马战神的名字是一样的，玛尔斯星，而且经常被认作“红色星球”。后者指的是氧化铁普遍存在火星表面所带来的影响，这使它呈现给我们一个微红的，肉眼可分辨出来的外表。
火星是一颗类地行星，有着一层稀薄的大气层，表面的特色是有着像月球表面一样的陨石坑、火山和环形山，并且还有峡谷，沙漠和地球上似的极地冰冠日期和季节与地球相类似，因为转动周期和相对于黄道平面的轴倾角与地球类似。火星有太阳系中所知的最大火山，最高山峰—奥林匹斯山，以及太阳系中最大峡谷之一的水手谷。北半球平缓的北欧式盆地覆盖了这个星球40%的土地，可能会产生一个巨大的影响作用。火星有两个天然的卫星，火卫一和火卫二，这两颗卫星都很小并且形状不规则。这些可能会被小行星俘获，这些小行星与5261 尤里卡相似，是火星木马。
作者：Paul Scott Anderson
FY：Astronomical volunteer team
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