1966年,法国天文学家奥杜安·多尔菲斯在土星A环的外缘看到一处不起眼的“凸起”。他的解释是:那里有一颗还没被发现的卫星,正贴着光环边缘运行。这个判断在当时没法验证。十四年后,旅行者1号飞掠土星,相机对准那片区域——卫星确实在,而且不止一颗,是两颗,挤在几乎同一条轨道上。
其中一颗,就是厄庇墨透斯。
一句话说清:两颗卫星共用一条轨道
厄庇墨透斯和它的邻居雅努斯,是一对**共轨卫星**——也就是两颗卫星长期共用一条近乎相同的轨道,谁也不会把谁彻底挤出去。你可以把它想成两个人沿一条很窄的路并肩而行:路只够一个人走在前面,于是每走一段就轮换一次,前面的换到后面,后面的换到前面,谁也没走开。
先看规模。厄庇墨透斯的轨道半长轴约15.14万公里,大约相当于地月距离(约38.4万公里)的四成。它绕土星一圈约16.7小时,比你在地球上过的一整天还短——如果站在土星云顶看它,一天之内能看到它转上一圈半左右。
它本身不大。最长边约116公里,比北京五环全长(约98公里)绕一整圈还要多出十几公里。换句话说,你开车跑完五环的时候,它才刚把自己的长度量完一遍。
400米跑道上,它们只差13厘米
厄庇墨透斯和雅努斯的轨道半长轴只相差约50公里。50公里听着不小,但放在15万公里的尺度上,相当于在400米标准跑道上,两个人只错开13厘米——站在跑道边,你根本分不出谁前谁后。
正因为挨得太近,大约每四年,它们就会交换一次轨道位置:原本在内圈的那颗落到外圈,外圈的那颗升到内圈。这个过程没有谁去推它,靠的是引力自己完成的调节。卡西尼号在土星轨道上工作的十余年里,这套“换位”过程被反复观测到,如今已经被视为观测证实的事实。
换位是怎么发生的
把这两颗卫星想成两条并排车道上的车:一条稍快,一条稍慢。跑得快的终归会从后面赶上来,但在这里,超车靠的是引力。
内圈那颗跑得快,会从后方追上外圈那颗。当两者接近时,彼此的引力开始交换能量和角动量:外圈那颗被“拖”慢一点,轨道随之降低,滑向内圈;内圈那颗被“顶”快一点,轨道抬高,升到外圈。一进一退,身份就换了过来。在整个过程中,它们最近时仍隔着一段不小的距离,不会相撞——这也是这套机制能长期稳定运行的原因。
名字里有一处巧合
厄庇墨透斯是希腊神话中普罗米修斯的兄弟,名字的字面意思接近“后知后觉的人”。雅努斯则是罗马神话里的双面门神,一张脸朝前,一张脸朝后。一个向后看,一个向前看,正好安在一对会互换位置的卫星身上。名字是1983年正式定下的,而在人类发现它们之前,这场换位已经不知进行了多少年。
还没搞清楚的部分
有两件事目前尚无定论。一是它们是否来自同一颗母体的碎裂,这属于假说推测,缺少决定性证据。二是它们的内部构造。观测显示,厄庇墨透斯表面覆盖着水冰,反射率偏高;按其形状与反照率推算,它的密度估计只有水的一半甚至更低,这意味着它很可能不是一整块实心岩石,而是由冰与岩石碎屑松散堆成的“碎石堆”。需要强调:这是基于现有数据的估计,不是定论。
回到1966年那道“凸起”
现在再看多尔菲斯当年看到的东西:那道凸起,其实是两颗在同一轨道上不断换位的卫星共同留下的身影。他的预言对了,只是答案比他想得更复杂——那里不是一颗卫星,而是一个靠引力维系着微妙平衡的两人组。
那么下一个问题就来了:在这样一条半径15万公里的轨道上,如果真挤进第三颗卫星,这套轮换还能维持下去吗?
延伸阅读
- BBC纪录片《行星》(The Planets,2019),土星相关章节
- 卡尔·萨根《宇宙》(Cosmos),关于行星与卫星系统的部分
- NASA太阳系探索网站土星卫星页面(science.nasa.gov/saturn/moons)
【备选标题】
- 悬念型:厄庇墨透斯:为何每四年换一次位置
- 画面感型:厄庇墨透斯与雅努斯,在土星边上换座位
- 提问型:谁是厄庇墨透斯?土星的“换位”卫星