水星沒有衛星。無獨有偶,太陽系八大行星中,金星也沒有衛星。

這只是意外或巧合嗎?不是。

事實上,作為太陽系內擁有45億年以上漫長歷史的成員,水星和金星根本就不可能擁有衛星,雖然它們很可能歷史上曾經有過衛星,但只能是曇花一現,它們的衛星軌道必定是不穩定的,要麼很快飛走了,要麼不久之後就墜毀在行星上。

在理解這個問題之前,需要先了解幾個基本概念。

一、希爾球

希爾球,又稱洛希球,粗略來說,是環繞在天體(像是行星)周圍的空間區域,那裡被它吸引的天體(像是衛星)受到它的控制,而不是被它繞行的較大天體(像是恆星)所控制。因此,行星若要能保留住衛星,則衛星的軌道必須在行星的希爾球內。同樣的,月球也會有它的希爾球,任何位於月球的希爾球內的天體將會成為月球的衛星,而不是地球的衛星。

以上引自維基百科。

設a為行星軌道半長徑,e為行星軌道離心率,m為行星質量,M為恆星質量,則行星的希爾球半徑 R_{h} 為:

Rh≈a(1-e)sqrt[3]{frac{m}{3M}}

影響希爾球大小的主要因素:行星與恆星質量之比、行星與恆星的距離。 行星質量越大、離恆星越遠,則希爾球越大。

希爾球只是個理論極限。一個小天體如果位於行星的希爾球半徑之外,那麼它就是另一顆較小的行星,而不可能是那顆較大行星的衛星,一秒鐘都不是。

至於在希爾球以內的小天體,可以算是行星的衛星,但這不一定是長期穩定的,因為會有各種固定的(例如太陽光的輻射壓)或偶然的(例如偶爾經過的其它天體的攝動)因素影響小天體的運行。如果衛星離行星比較遠,接近希爾球邊緣,衛星就隨時可能擺脫行星的束縛而奔向自由。

具體地,一般認為要想讓衛星長期穩定地圍繞行星運轉,需要其軌道始終處於下面這個半徑為R的球形區域內:

Rleqfrac{R_{h}}{3}……(順行衛星)

Rleqfrac{R_{h}}{2}……(逆行衛星)

【所謂順行衛星,是指公轉方向與行星自轉方向相同的衛星,逆行衛星則是公轉方向與行星自轉方向相反的衛星,至於公轉方向與行星自轉方向夾角很大的衛星,可視為介於兩者之間。】

至於為什麼順行衛星更不穩定(所以要求離行星更近),後面會詳細分析。

二、洛希極限

洛希極限(Roche limit)是一個天體自身的重力與第二個天體造成的潮汐力相等時的距離。當兩個天體的距離少於洛希極限,天體就會傾向碎散,繼而成為第二個天體的環。

(引自維基百科。)

r 為行星半徑, 
ho_{M} 為行星密度, 
ho_{m} 為衛星密度,那麼洛希極限 d 為:

R_{r}approx1.260rsqrt[3]{frac{
ho_{M}}{
ho_{m}}}……(固體衛星)

R_{r}approx2.423rsqrt[3]{frac{
ho_{M}}{
ho_{m}}}……(流體衛星)

當然,對於水星和金星這個位置,如果有衛星的話,也必定是固體衛星,在恆星的凍結線以內,即使質量大如地球也是巖質星球,更小的天體就更不可能是流體星球了。

三、同步軌道

同步軌道的概念大家應該夠瞭解:一顆順行衛星如果處於同步軌道上,那麼它的公轉週期與行星的自轉週期相同,也就是說,它永遠位於行星的同一經度的上空。

【注意,同步衛星不一定都位於同一經度的赤道上空,也可能是在同一經度上空南北來回擺動,只有公轉軌道與行星自轉方向夾角為零的同步衛星才會固定在赤道上空,這種同步衛星又稱靜止衛星,因為在行星上看它始終是靜止不動的。】

同步衛星永遠對著行星的同一個經度,反過來看,行星也永遠以同一面對著衛星,所以可以稱為行星是被同步衛星潮汐鎖定的——正如月球因為永遠以同一面朝向地球,我們就說月球被地球潮汐鎖定了,那麼我們也可以說,地球是被那些處於大約36000公里高空的同步通信衛星鎖定的(雖然這個鎖定不是因為這些衛星的潮汐力的作用而是依靠人類航天技術的精確操作)。

設行星質量為m,行星自轉角速度為ω,G為萬有引力常數,則行星的同步軌道半徑Rs為:

Rs= sqrt[3]{frac{Gm}{\ω^{2}}}

對於一個特定質量的行星,影響同步軌道高度的因素就是行星的自轉角速度,轉得越快的行星,其同步軌道越低。

軌道高於同步軌道的衛星,其公轉週期會比行星自轉週期更長,也就是說它會比行星轉得慢;反之,軌道低於同步軌道的衛星,會比行星轉的更快。

四、潮汐摩擦與潮汐牽引

當兩個天體相互靠近到天體的尺寸不能忽略的時候,它們之間就會有非常明顯的潮汐現象。

由於天體尺寸不能忽略,那麼天體上離對方較近一側的物質,因為離對方更近,將比離對方較遠一側的物質,受到更大的引力,這將使兩個天體都在兩者連線方向被拉長,或者說,在朝向對方的位置,以及相反的位置,將形成兩個突起。下面為了簡化問題,我們只討論衛星對行星的潮汐作用,因為行星對衛星的潮汐作用,在本問題中影響不大。

圖片來源:維基百科

①、如果這個衛星是同步衛星,那麼行星上的突起位置不會變化(或基本不變),因此這個突起也不會消耗能量和動量,不會對衛星的運行有任何影響。

②、如果這個(順行)衛星的軌道高於同步軌道,例如月球,那麼它會轉得比行星自轉更慢,而行星上的突起因為始終是對著衛星的(取決於行星自轉與衛星公轉角速度的差異,以及行星的材質,突起與衛星的方向可能偏差一個很小的角度,對於地球-月球,偏差約3°),因此這個突起在行星上的位置是沿著自轉方向往後跑的,例如定義行星自轉方向為自西向東,那麼突起的位置就是在行星表面自東向西運動的,其效果相當於衛星的引力拖著行星上的一部分物質往後跑,這必將導致一種類似於摩擦力的阻力來阻礙其運動,這一方面會使行星的自轉減速(自轉角動量減小),即潮汐摩擦;同時這個力的反作用力會作用到衛星上,使衛星公轉加速(公轉角動量增加)——通過潮汐作用,行星將角動量轉移到衛星上,衛星公轉加速則使得衛星的軌道升高,逐漸遠離行星。這就是潮汐牽引

根據精確測量,因為潮汐牽引的加速作用,我們的月球正以38.14毫米/年的速度遠離地球。

正是因為高軌道順行衛星會逐漸遠離行星,隨著離行星越來越遠,它有機會越出希爾球並逃逸,所以對於順行衛星,會要求其原本的軌道半徑不高於希爾球半徑的1/3。

③、推而廣之,如果這個(順行)衛星的軌道低於同步軌道,例如火衛一,那麼它會轉的比行星自轉快,行星上的突起會沿著行星自轉方向往前跑,這種潮汐摩擦將加速行星自轉,同時其反作用力則使衛星公轉減速,在反向的潮汐牽引作用下衛星軌道將越來越低。

④、進一步推廣,如果這個衛星是逆行衛星,其效果將相當於衛星拖著行星上一小塊物質往後跑,和②中的情況一樣,這將使行星自轉角動量減少,同時衛星公轉角動量增加。但是,【劃重點】,如果定義行星自轉角動量為正,那麼逆行衛星的公轉角動量就是負值,給一個負數加上一個正數,勢必使其絕對值減小,因而衛星公轉速度也會越來越慢,軌道越來越低。

正是因為逆行衛星無論軌道高低,都會逐漸接近行星,因此其初始軌道半徑即使有希爾球半徑的1/2那麼高,也不一定會逃逸——因為它的軌道將逐步降低。

綜上所述,在不考慮希爾球而只考慮潮汐作用的情況下,同步軌道是衛星所擁有的唯一的永久穩定軌道。高於同步軌道的順行衛星,有遠離行星從而逃逸的趨勢;低於同步軌道的順行衛星,以及所有的逆行衛星,都有軌道降低並墜毀在行星上的趨勢。

不過,當一個順行衛星的軌道與同步軌道離得不太遠的時候,雖然有上述的趨勢,但效應非常微弱,通常可忽略不計,但離同步軌道太遠的衛星,或者逆行衛星,這個效應就往往不能忽略了。

同時,以上趨勢,對於軌道低於同步軌道的衛星(無論順行還是逆行),比那些高於同步軌道的衛星表現得更明顯:因為離行星越近,潮汐力也越大。

有兩種特殊情況需要特別分析。

⑴、如果衛星質量非常大,比行星小不了太多,還可能出現另一種情況。例如這個衛星是個高軌道衛星,它本身轉得比行星慢,一方面衛星受潮汐牽引加速,同時潮汐摩擦也會使行星自轉減速,當衛星質量很大時,潮汐摩擦對行星的影響也會非常顯著,這有可能導致最終行星自轉減速到與衛星公轉週期相同,從而行星被衛星潮汐鎖定。由於衛星通常會在更早前就被行星潮汐鎖定,這時候兩個天體互相潮汐鎖定,它們會成為一個永久穩定的系統。

反過來,一個巨大的低軌道衛星,理論上也有可能通過讓行星加速自轉來鎖定行星。

實例:冥王星及其衛星卡戎,兩者相互潮汐鎖定。

另一個理論上的實例,是地月系統——有天文學家推算,預計700億年後,地球也將被月球潮汐鎖定,月球從此不再繼續遠離地球。屆時月球離地球的距離大約61萬公里,月球公轉週期與地球自轉週期相同,都是按現在標準的55天左右。但這也就是理論上而已,因為我們都知道太陽系不可能存在700億年之久。

但這種情況非常罕見,因為我們知道,至少在太陽系中,絕大部分衛星都比其環繞的行星小得多,從而也沒有能力將行星潮汐鎖定。

⑵、當一個低軌道衛星離行星越來越近,它勢必進入行星的洛希極限,從而遭到行星引力的肢解,碎散成為行星環。

當行星環形成後,其質量將大體均勻地分散在整個環上,原先由質量集中的衛星特異性地造成行星局部隆起的現象將不復存在,從而潮汐作用基本消失。如果說行星環還會對行星有潮汐作用,那是由行星環的局部不均勻性造成的,其作用通常很小。

儘管行星環造成的潮汐作用很小,但根據近年來的研究,如果行星環離行星很近且遠低於行星的同步軌道,它仍是不夠穩定的,任何一處密度分佈不均都會導致該集中處的物質脫離環體下降,而物質一旦脫離環體下降後,其造成的潮汐影響將增大,並進一步加快其下降速度,從而形成正反饋的惡性循環,不久之後環就逐步消失了。

土星之所以在漫長的年代裡保有一個巨大的環,其主要原因就是土星的洛希極限與同步軌道半徑很接近,因此土星環也在同步軌道附近——土星的各種參數恰到好處,使得土星可以長期擁有太陽系內最大最耀眼的環。更詳細的分析將在我的另一個回答裏闡述,在此不多費筆墨。

在瞭解以上基本概念後,我們可以回到題主的問題了。

五、為什麼水星、金星沒有衛星?

通過前面介紹的基本概念,我們知道,一個衛星要穩定地圍繞行星運行,它必須至少同時滿足:

1、衛星軌道半徑不大於行星的希爾球半徑的1/3(順行衛星)或1/2(逆行衛星),否則衛星將非常容易逃逸。

2、衛星軌道半徑不能遠低於同步軌道半徑,否則衛星將在不久後墜毀或碎散為行星環。

這兩點是最最最最基本的條件,雖然即使滿足這兩條的衛星,也不見得都穩定,而不能同時滿足這兩條的衛星,一定活不過《衛星演化史》的第一集。

3、行星的洛希極限不能遠低於同步軌道,否則衛星碎散的行星環將無法長期存在。

這條是說,如果一個衛星不滿足條件2,它還可能以行星環的形式存在很久,但如果不滿足3,行星環也撐不了多久。

現在我們把金星和水星的各項參數代入前面的公式去計算,得到的結果是:

【水星】

希爾球半徑:

R_{h}approx175298Km

同步軌道半徑:

R_{s}approx242910Km

假設其衛星和行星密度相同,則洛希極限為:

R_{r}approx3074Km

【金星】

希爾球半徑:

R_{h}approx1004274Km

同步軌道半徑:

R_{s}approx1536580Km

假設其衛星和行星密度相同,則洛希極限為:

R_{r}approx7625Km

可以看出,兩個星球的同步軌道半徑都遠大於希爾球半徑,而希爾球半徑的一半或三分之一更是遠遠低於其同步軌道,因此,一顆衛星在這兩個行星附近的任何高度都不可能擁有穩定軌道,它們要麼因軌道高於希爾球半徑而逃逸,要麼軌道遠低於同步軌道而墜毀。

並且由於兩行星的洛希極限特別低,行星在墜毀過程中形成的環,也必將是曇花一現,很快就會消失,全部掉到行星上去。

六、進一步深入討論

作為對比,我們把地球、火星和木星的參數代入前面的公式(不討論洛希極限):

【地球】

希爾球半徑:

R_{h}approx1471401Km

同步軌道半徑:

R_{s}approx42165Km

(特別提示: R_{s} 是指從地心算起的軌道半徑,我們通常說的同步衛星軌道高度35786公里是指從地面算起。)

【火星】

希爾球半徑:

R_{h}approx982749Km

同步軌道半徑:

R_{s}approx20430Km

【木星】

希爾球半徑:

R_{h}approx50563080Km

同步軌道半徑:

R_{s}approx160040Km

可以看出,地球的希爾球半徑是同步軌道半徑的35倍,而火星的希爾球半徑是同步軌道半徑的48倍,木星的該比值則達到了316倍。難怪地球、火星可以穩定地擁有衛星(但火衛一軌道低於同步軌道,它是不穩定的,預計數千萬年後將墜入火星),而木星則更擁有數量眾多的衛星。

通過對比,我們發現問題的關鍵所在:

水星和金星不能擁有衛星的根本原因,是其自轉太慢,導致其同步軌道過高。

而其本身質量不夠大,以及離太陽較近,導致其希爾球半徑不大,雖然也是因素之一,但不是關鍵,因為金星的希爾球比地球小不了多少,而同樣擁有衛星的火星,其希爾球比金星還小一些。

那麼,為什麼水星和金星自轉這麼慢呢?

對於水星來說,主要原因是離太陽太近,因此水星已接近被太陽潮汐鎖定了(目前水星處於2/3軌道共振的準鎖定狀態)。

潮汐鎖定的時間尺度,計算公式非常複雜,我就不拿出來嚇人了,只說其中一個關鍵參數:潮汐鎖定的時間,與距離的6次方成正比。因此,離恆星近的行星,其被鎖定的時間會比遠距離行星短得多。

一旦被潮汐鎖定,它的自轉週期就與其公轉週期相同,那將是非常長的時間,自轉這麼慢,其同步軌道自然就很高了。

金星這個奇葩,其自轉不但特別慢,而且還是倒著轉的。

關於金星為什麼倒著轉,以及為什麼轉這麼慢,目前天文學界尚無定論,大體上的理論有兩種。

一種觀點認為,是金星濃密的大氣層的影響。這個理論非常複雜,我就不介紹了(說實話,我也沒看懂)。

另一種觀點認為,金星在早期曾遭遇一次強烈撞擊,一顆比金星小不了太多的星球逆著金星自轉方向撞了上去。其結果是,金星被撞得倒過來自轉,且自轉緩慢;同時撞擊產生的碎片飛出形成一個岩屑盤,後來岩屑盤聚集形成一顆衛星……但最終,這個衛星又墜毀到金星上了。

總之,無論什麼原因導致金星的自轉如此緩慢,其效果都一樣:金星從此無法穩定地擁有衛星了。

【花絮】許多天文學家認為,地球、水星和天王星也曾經遭遇過類似級別的撞擊。

地球被撞後,自轉方向偏了23.5°,並導致月球的形成。因為月球是地球表面物質被拋出後形成的,所以雖然月球物質和地球物質同源,但密度明顯偏低,而地球因為失去大量低密度表層物質,留下的部分成為太陽系內密度最高的行星。

水星也發生過同樣的撞擊,也產生了同樣的衛星,但與地球的衛星月球仍在穩定地運行、金星的衛星已經墜毀不同,水星因為希爾球太小,這顆衛星被認為早已飛走了,留下了一個密度超高的水星(水星密度僅次於地球,但考慮到地球的高密度還有因質量巨大所造成的壓縮因素,其實水星纔是太陽系裡最緻密的星球,水星基本就是一個只有一薄層岩石覆蓋的大鐵球)。

至於天王星,它被撞了之後就躺著自轉了。

七、延伸討論

目前在太陽系外,已經發現了許多系外行星,其中有很多太陽系中不存在的類型,例如質量堪比木星,而軌道卻比水星軌道更接近恆星的行星——因為離恆星太近,溫度非常高,我們把它們稱為熱木星。

那麼熱木星會有衛星嗎?

目前沒有發現。

圖片來源:維基百科

理論分析:熱木星擁有衛星的機會渺茫。

根據潮汐理論,離恆星越近的星球,被潮汐鎖定越快;體積越大的星球,被潮汐鎖定越快;流體星球比岩石星球會更快被鎖定。

熱木星是氣體星球,所以比岩石星球更容易被鎖定。

氣體星球密度通常較低,高溫則導致其體積膨脹,密度進一步降低,會使其更快被鎖定。

因此我們有理由相信,所有熱木星都已經被潮汐鎖定。

被潮汐鎖定的星球,同步軌道都非常高。

因此我相信,一個不太年輕的熱木星,是不大可能擁有衛星的,即使偶爾通過俘獲獲得一顆衛星,也不能長久維持。

【不確定性申明】

本回答中涉及的基礎理論和公式,均為天體力學領域既有理論,但部分引申的推論則是由回答者自行推導的,未經專業人士評審,回答者無法確定是否正確,請讀者自行審慎評估。


水星:誰說噠!!??我衛星是太陽!!


我們都知道在太陽系中,太陽是唯一的一顆恆星,其他八顆(火星、土星、地球……)都是行星,而衛星的數量要比行星多得多,如今已發現200多顆。

如果我們仔細觀察的話會發現這樣一種神奇的現象,越是靠近太陽的行星,圍繞它的衛星就越少,木星有79個衛星,土星有60多個衛星,天王星有30多顆衛星,海王星有十多顆衛星,火星有兩顆衛星、地球一顆,水星和金星則一顆都沒有,那麼為什麼會是這樣的情況呢?

水星是太陽系裡離太陽這顆恆星最近的行星。它是太陽系裡晝夜溫差最大的行星,是太陽系裡自轉最慢的行星(約5000多個地球日),同樣也是太陽系裡最孤獨的行星(基本沒有發現衛星)。

因為這和太陽強大的引力有關係,太陽集合了太陽系99.8%的可見物質,因此,它的引力場強大到了無法形容的地步(詞窮……),另外,從牛頓的萬有引力可知,在天體越靠近太陽受到的引力牽引作用越強,越遠離太陽受到的影響越弱,水星和金星的距離,太陽非常近,所以沒有衛星。

如果有衛星圍繞它們轉的話,那麼這顆衛星也將同時受到太陽強大引力的影響,在它圍繞行星運行的過程中,太陽會漸漸把它拉向自己,所以圍繞水星和金星運行的衛星的軌道將變得不穩定,那麼時間長了之後衛星就很可能被太陽吸引過去,所以水星和金星就很難有衛星了。

說到底,太陽就是比較牛逼,水星太弱,胳膊扳不過大腿!


水星沒有發射過衛星,金星也沒有。

地球是唯一成功發射衛星的內行星,當初發射月亮時,付出了極大代價,是通過卡戎撞擊地球才發射成功的,畢竟月亮比較大嘛,但卡戎犧牲了。當發射的一瞬間,地殼融化,地幔撕裂,毀天滅地。目前月亮還只飛了38萬公里。

火星外面本來也有一顆類地行星,但在發射時,自身也毀滅了,目前碎塊還圍著太陽在飄。

這下把火星嚇壞了,根本不敢發射衛星,順手抓了兩個劃過身邊的碎塊,偽造成自己發射的。但你看,這倆貨形狀殘缺,一看就不是原生的蛋。

至於外面的四個大個子,本身是雄的,根本不會生蛋,就靠偷了。木星最賊。

太陽系八大行星中,只有地球成功發射過一顆衛星,所以生命在地球誕生。


1、水星質量小,只能吸引更小的天體,詳見冥王星,好不容易吸來個卡戎還比自己小不了多少,最後乾脆開除九大行星。你就算送給水星一個月亮人家也不是衛星而是雙星。地球要是在木星附近,也是木星的衛星。

2、公轉軌道半徑小,能吸引到更小天體的範圍也小。

3、離太陽近,有點天體都被太陽搶走了。


我不知道!!但是可以用宇宙沙盒(universe2)模擬下,等會我開電腦!


也許是因為水星有一個永遠無法接近卻依舊想伴隨著它的太陽吧。


因為沒有水星人發射過衛星


更大的金星也沒有衛星,你會不會奇怪?內行星有衛星其實纔是難題,像地球的月球,在過去沒有計算機模擬很難解釋,討論到最後的結論就是,它不應該在那裡。火星的衛星也是很難解釋,它們應該是捕獲的,但軌道為什麼那麼圓?若是捕獲時間很久了,他們能維持這麼長久的原因何在,看了三體也該知道,這種軌道不是很穩定的,若是捕獲的,那又更複雜了。

不用太複雜的運算都可以知道,越靠近太陽,衛星越不容易存在。因為,越靠近潮汐力越強,你想想看潮汐力都能扯碎一個行星或衛星了,要維持一個衛星靜力平衡有多難?水星自轉都被太陽鎖定了,受太陽重力影響非常顯著,若水星有衛星,的其軌道特性,得有多大的巧合纔行?

不過有趣的是,金星水星都曾有疑似發現衛星的往事。但我也懶得搬這些資料了,大家可以自己搜尋看看。


一點宇宙知識的人來說說:或許九大行星就是太陽在環繞銀河系中心運行時捕獲的,而可能水星內行曾經有行星?被太陽吸走了呢。


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