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衛星系

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土衛系的藝術想像圖

衛星系是在引力束縛下環繞近行星質量天體（如次棕矮星和星際行星）或微型行星運動，或其共同質心運動的天體系統。一般而言衛星系指的都是行星與其天然衛星的集合，不過也可能包含環行星盤、行星環、微衛星、小行星衛星和人造衛星，且它們自己可能還擁有環繞自己運動的子衛星。有些天體擁有准衛星，雖然受主行星的引力影響，但一般不認為其屬於衛星系的一部分。衛星系內有着磁力、潮汐力、大氣層互動、軌道共振和天平動等複雜的相互作用。

許多太陽系天體都有自己的衛星系，不過它們的起源存在很大爭議。木衛系是已知規模最大的衛星系，有89顆衛星[1]；土衛系次之，有83顆衛星，還有太陽系內規模最大的行星環。它們的規模都十分大。實際上太陽系所有巨行星都有規模龐大的衛星系和行星環，說明這是巨行星的一般環境。距太陽較遠的一些天體也有包含多顆衛星的衛星系，如環繞其共同質心運動的冥衛系，以及許多小行星和矮行星。除地月系和火衛系之外，其他類地行星都沒有自己的天然衛星。

雖然太陽系內的情況暗示着衛星系的普遍存在，但太陽系以外的衛星系觀測困難，目前僅觀測到一個：J1407b。[2]理論上，星際行星也可能有自己的衛星系。[3]

自然形成與演化

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衛星系是引力吸引作用的最終結果，也受到慣性力制約。一般認為，行星系誕生自環繞恆星的吸積盤，而衛星系的誕生過程則還存在較大爭議。規模較大的衛星系應是由多種不同過程共同作用的結果。

穩定性

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L4的重力加速度分解示意圖

在包裹天體的希爾球內部，環繞天體運動的小天體受到天體環繞的大天體的引力更小，因而可以成為天體的衛星；希爾球之外，則受到大天體的引力更大，不會成為天體的衛星。太陽系中，天王星和海王星因為距太陽較遠，擁有最大的希爾球，半徑超過1億km。水星和穀神星的希爾球則分別因為距太陽太近和質量太小，半徑較小。除希爾球內和拉格朗日點外，剩下的空間太陽引力都佔據主導地位。

L4和L5附近，M1/M2接近24.96時[note 1]，衛星可以保持穩定。[4]位於這些點上的天體受到擾動會發生偏移，但與偏移相反的作用（重力或角動量引發的速度變化）也會隨着偏移的增減而增減，使得天體穩定在環繞拉格朗日點的菜豆狀軌道（共旋轉參考系下）。

一般認為，衛星公轉方向和行星自轉方向應當一致（即「順行軌道」）。以順行軌道運行的稱作規則衛星；方向相反的則稱作「逆行軌道」，以逆行軌道運行的稱作不規則衛星。一般認為不規則衛星是行星引力捕獲來的。[5]

吸積說

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巨行星周圍的吸積盤的形成過程與恆星周圍的吸積盤相似，這也是天王星、[6]土星和木星衛星系形成的假說之一。這樣一團氣體雲，在早期屬於環行星盤的一種[7][8]，也稱作原衛星盤。行星形成過程中的氣體模型符合行星衛星質量比為10000:1的一般規則[9]（海王星是例外）。有人認為地月系也是通過吸積作用產生的，[10]但地月系整體的角動量和月球過小的鐵核無法以此解釋。[10]

碎屑盤

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衛星系產生的另一種可能機制是吸積自碎屑盤。有人認為，伽利略衛星這樣的大衛星可能是在較早的通過吸積產生的衛星崩解之後，形成的碎屑盤重新吸積而形成的。[11]行星環是環行星盤的一種，可能來自跌入洛希極限的衛星的崩解。這樣的盤經過漫長的時間，有可能重新形成自然衛星。

大碰撞說

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主條目：大碰撞說
冥衛的形成過程：1：冥王星附近有一個柯伊伯帶天體；2：該柯伊伯帶天體撞擊了冥王星；3：冥王星周圍形成了一條塵埃環；4：碎屑逐漸形成冥衛一；5：冥王星與冥衛一穩定為球體

大碰撞說是衛星系形成的主流假說之一，特別是對地衛和冥衛的形成。軌道參數和組成成分相近的衛星系可能來自這樣的衛星系，可能屬於同一碰撞族。計算機模擬已被用來證明，大碰撞可能是月球的起源。大碰撞之後，地球可能一度擁有多個衛星。相似的模型也被用於解釋火、冥衛系的產生。[12]有兩組研究證實，火衛一來自火星被小行星撞擊後拋射出的物質。[13]有人認為，天衛系的獨特特徵可能也來自大碰撞。[14][15]針對天王星獨特的自轉方式，2018年新提出的模型認為，天王星可能與一顆有地球兩倍大的天體發生過斜向碰撞，碰撞出的殘骸產生了獨特的冰質衛星。[16]

引力捕獲理論

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火衛系起源的引力捕獲理論示意圖

有理論認為，海衛一是通過引力捕獲成為海王星衛星的。[17]火星、[18]土衛九可能也是通過引力捕獲而來。[19][20]有些研究者認為，年輕行星周圍的超高層大氣可以減緩途經物體運動，從而實現捕獲。木星和土星的不規則衛星可能都是由引力捕獲而來。[21]引力捕獲的標誌是逆行軌道，這可以解釋為行星捕獲了從自轉朝向方向來的天體。[5]有人試圖用捕獲說解釋月球的起源，但地月岩石有着幾乎完全一致的同位素比例，便無法用這個理論說明。。[22]

暫時捕獲

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衛星捕獲的證據可在木星捕獲的星體上直接觀察到。目前共觀測到5個類似天體，最長的約有12年。基於計算機建模，可以推定對赫林-羅曼-克羅克特彗星長18年的捕獲過程將始於2068年。[23][24]然而，暫時捕獲形成的軌道十分不規則、不穩定，而穩定捕獲背後的理論過程可能極為罕見。

有爭議理論

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一些有爭議的早期理論，如月球太空船理論（Spaceship Moon Theory）和什克洛夫斯基的"「火衛一中空論」"認為，衛星壓根就不是自然形成的。這些理論違背了奧卡姆剃刀原則。雖然人造衛星現在在太陽系中已經很常見了，但是其中最大的國際太空站長度僅有108.5米，比起自然衛星過小了。

衛星系列表

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冥衛系，畫出衛星軌道。哈勃望遠鏡攝於2012年7月
近地小行星(136617) 1994 CC及其衛星系的雷達影像動畫

太陽系內已知的包含多個天體、圍繞近行星質量天體的衛星系，依近日點距離排序：

近行星質量

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天體 類別 近日點（天文單位） 自然衛星 近行星質量衛星 人造衛星 環 註釋
地球 行星 0.9832687 1 月球 2,465* 參見空間站列表
月球 自然衛星 1.0102 10* 參見月球勘測軌道飛行器、月球軌道計劃
金星 行星 0.7184 1 參見破曉號
火星 行星 1.3814 2 11* *6被廢棄（參見火星軌道器列表）
穀神星 矮行星 2.5577 1* *曙光號
木星 行星 4.95029 89[1] 伽利略衛星 1 4 含較大的伽利略衛星及環系統。朱諾號自2017年。參見木星的衛星和木星環
土星 行星 9.024 83 土衛六、土衛五、土衛八、土衛四、土衛三、土衛二、土衛一 7
天王星 行星 20.11 27 天衛三、天衛四 13 含環系統。參見天王星的衛星
冥王星-冥衛一 矮行星（雙行星） 29.658 5 冥衛一 另見冥王星的衛星
海王星 行星 29.81 14 海衛一 5 含環系統。參見海王星的衛星
妊神星 矮行星 34.952 2 1 另見妊神星的衛星，環系統發現於2017年
鬩神星 矮行星（雙行星） 37.911 1 鬩衛一
鳥神星 矮行星 38.590 1
亡神星 准矮行星（雙行星） 1 亡衛一
Ilmarë 准矮行星（雙行星） 1 小行星174567

較小天體

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主條目：小行星衛星
天體 類別 近日點（天文單位） 自然衛星 人造衛星 環 註釋
66391 Moshup 水星軌道穿越小行星 0.20009 1 雙星
660631998 RO 阿登型小行星 0.27733 1 雙星
1366171994 CC 近地小行星 0.95490 2 三星
1535912001 SN 近地小行星 1.03628119 2 三星
小行星285263 近地小行星 1.0376 1 雙星
丘留莫夫－格拉西緬科彗星 彗星 1.2432 1* *羅塞塔號，自2014年8月
小行星2577 火星軌道穿越小行星 1.6423 2 雙星
小行星3749 主小行星帶 1.9916 2 雙星
桂神星 主小行星帶 2.014 1 雙星
艷后星 主小行星帶 2.089 2
慧神星 主小行星帶 2.3711 2
小行星45 主小行星帶 2.497 2
慫女星 主小行星帶 2.47815 2
司賦星 主小行星帶 2.6139 1 雙星：Linus
休神星 主小行星帶 2.6606 1 雙星：S/2000 (90) 1
林神星 主小行星帶 3.213 2
駛神星 原神星族 3.25843 1 雙星：S/2001 (107) 1
小行星617 木星特洛伊小行星 4.4947726 1 雙星：Menoetius
小行星2060 半人馬小行星 8.4181 2
女凱龍星 半人馬小行星 13.066 2 觀察到首個帶有行星環的小行星。參見女凱龍星環
小行星47171 海王星外天體 30.555 2 三星/雙星帶伴星
亡神星 柯伊伯帶天體 30.866 1 雙星：亡衛一
共工星 海王星外天體 33.050 1 雙星：相柳星
小行星120347 柯伊伯帶天體 37.296 1 雙星：Actaea
486391995 TL 柯伊伯帶天體 40.085 1 雙星：S/2002 (48639) 1
1998 WW31 柯伊伯帶天體 40.847 1 雙星：S/2000 (1998 WW31) 1
創神星 柯伊伯帶天體 41.868 1 雙星：創衛一

特徵與互動

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含有多顆近行星質量天體的自然衛星系內，可能發生相當複雜的相互作用，並影響多顆天體或更大的天體系統。

行星環

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主條目：行星環
木星環形成過程模型示意圖

行星環包含宇宙塵埃、微衛星及其他小天體。最典型的是土星環，實際上其他三顆氣態巨行星（木星、天王星和海王星）也有環。系外行星研究發現，行星環在巨行星周圍十分常見。J1407b有半徑9000萬km（0.6AU）的行星環，[25]有人稱其為「超級土星」。[26][2]光度研究表明，PDS 110可能擁有更大的環行星盤。[27]

其他種類的天體也被發現含有環。妊神星是人們發現的第一顆帶有環的矮行星和海王星外天體。[28]直徑約250km的半人馬小行星女凱龍星是已知最小的有環天體，[29]有兩條窄而密的環帶，分別有6–7km和2–4km寬，中間有9km寬的縫。[29][30]土衛五有一條較細的衛星環，包含三條狹窄、較密集的微粒組成的盤面。這也是人類首次發現的衛星環。[31]

大部分的環都是不穩定的，經歷千萬年之後可能就消散了。對土星環的研究則表明，可能在太陽系形成之初就已經有了行星環。[32]目前理論認為，一部分環可能處在吸積為衛星——衛星墜入洛希極限而碎裂形成環的循環之中。[33]該理論曾被用於解釋土星環和火衛的形成。

引力互動

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軌道佈局

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3顆伽利略衛星展示的拉普拉斯共振。圖中所展示的比率是軌道周期之比。衛星間的合以顏色變化表示出。
旋轉參考系下的土衛十和土衛十一的馬蹄形交換軌道

卡西尼定律描述了系統內衛星的運動規律[34]，其進動由拉普拉斯平面定義。[35]大多數衛星系統都沿着黃道平面分佈。地月系是個例外，月球軌道與天球赤道平面基本重合。[34]

天體間互相施加規律性的引力影響的現象，稱作軌道共振。很多衛星系中都存在軌道共振現象：

可能的軌道互動現象還包括天平動和共軌構型。土衛十和土衛十一共用一個軌道，半長軸的差異小於兩者的平均直徑。天平動被認為是在軌天體相對於彼此的震盪運動，地月系的天平動現象比較顯著。

有些系統圍繞着整個系統的共同質心旋轉，表現為多星（雙星、三星等）。最知名的是冥衛系，是一個矮行星雙星系統。很多小行星之間也會形成類似的系統，如休神星和(66063) 1998 RO1。有些軌道互動和雙星結構中，較小的衛星不再維持球形，並混亂地震盪而非公轉，如冥衛二、冥衛三和土衛七。[37]

潮汐力

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地月系引力互動下，地球上的潮漲超過地球自轉的示意圖。這在月球上施加了一個淨扭矩，加速其運動的同時，減慢了地球的自轉。

潮汐力可以對行星和衛星都產生影響。月球的潮汐力使得地球和水圈產生輕微變形；其他衛星系中，類似的潮汐作用產生的摩擦生熱是衛星地質作用動力的主要熱源。另一個物理變形的極端例子是近地小行星66391受其衛星潮汐力作用而產生的大型赤道脊，這樣的變形可能在其他近地小行星上也常見。[38]

潮汐力還包括穩定軌道的改變。如海衛一的軌道36億年來一直在下降，這會使得其最終越過海王星的洛希極限[39]，跌入海王星大氣層，形成與土星環類似的環。[39]火衛一也發生着類似的事，預計在5000萬年內它要麼碎裂為環帶，要麼墜落到火星上。[40]潮汐力將月球逐漸推離地球，最終會擺脫地球的引力約束。[41]

攝動與不穩定

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大多數衛星系在潮汐力作用下也能保持長期的穩定。衛星間的攝動在早期階段常會使得系統變得不穩定，使得衛星被彈射出去或與別的天體相撞。計算機模擬顯示，正是這樣的互動導致天王星的內層衛星運動變得混沌而不穩定。[42]木衛一的部分活動可能是受木衛二的引力攝動和軌道共振引發的。海王星的行星衛星質量比與其他氣態巨行星上觀察到的1:10000不同，可能也是由於引力攝動。[43]與地月系相關的一個理論認為，與月球一同形成的一顆伴星在早期受到月球引力攝動的影響，撞擊了月球。[44]

大氣與磁力互動

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主條目：氣體環
木衛系中木衛一（綠色）和木衛二（藍色）產生的氣體環

有些衛星系的天體間存在氣體互動，比較顯著的是木衛、土衛和冥衛系。木衛一磁場會將木衛一上的氧和硫帶到木星和其他衛星上。土衛二產生的氧氣和氫氣形成了環繞土星的E環。冥王星和冥衛一之間的氮氣交換[45]被新視野號觀察到。土衛六（氮）和海衛一（氫）也都會產生氣體，並形成環繞行星的氣體環。

木星北極的極光影像，顯示出橢圓形的主極光、極地噴射物和與衛星互動產生的光斑

衛星系中存在複雜的磁場作用。最顯著的是木星和木衛一、木衛三之間的相互作用。觀測證實，這樣的互動可能使得衛星大氣消散，並產生獨特的極光。

歷史

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比魯尼天文學著作中的一張插圖，解釋了不同的月相。

對衛星系的研究實際上從史前時代就開始了，最早的人類便在研究月亮。最早的天文學模型便是圍繞着繞着地球轉的「天球」建立的，這就是地心說。然而，地心說一般不考慮其他天體圍繞行星運轉的可能性。

塞琉西亞的塞琉古（公元前190—？）的觀測可能囊括了潮汐，[46]他最後的結論是月亮吸引着潮汐運動。

隨着16世紀日心說的風行，人們的關注點逐漸移動到行星，衛星的系統則不被人關注。尼古拉斯·哥白尼在卒年（1543）出版了《天體運行論》，書中提出了月球繞着地球轉的模型。

直到1609或1610年，伽利略發現伽利略衛星，圍繞天體運行的天體才最終得到確證。

惠更斯於1655年觀測土星時，最早提出了行星環的存在。[47]

首個探測地球以外衛星系的探測器是1969年發射的水手7號，其探測了火衛一。旅行者1號和旅行者2號於1979年首次近距離探測了木衛。

區域與宜居性

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參見：衛星宜居性
在宜居帶內運行的地表有海洋的衛星的藝術想像圖

基於潮汐加熱模型，科學家們為衛星系劃定了像行星系分區那樣的區域。其中一個被稱作「環行星宜居帶」，該理論認為，比宜居帶更靠內的衛星便不能在地表維持足夠的液態水。將日食影響、軌道穩定性和偏心率納入考量後，在恆星的宜居帶內，能存在環行星宜居帶的最小的行星質量約是0.2倍太陽質量。[48]

系外衛星的磁場環境主要由行星的磁場強度決定，也是影響系外衛星宜居性的重要因素。[49]最值得注意的是，從光照和潮汐加熱的角度來看，距巨行星5至20倍行星半徑的衛星宜居性雖然較高，但行星磁層仍會嚴重影響宜居性。

另見

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註釋

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  1. ^ 更精確地說是 ≈ 24.9599357944

參考文獻

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