為何木星成為天體撞擊”出氣筒”?身高體壯成靶子


圖1:2013年2月,流星擊中了俄羅斯車里雅賓斯克市,這是自1908年發生通古斯卡事件以來地球上發生的最大規模、最猛烈的天體撞擊事件

更大天體對地球撞擊產生的影響可能更大,比如大約6500萬年前造成恐龍滅絕的那次。

儘管如此,地球所經歷的撞擊依然無法與木星相提並論,後者是太陽系中受天體撞擊次數最高、受影響也最大的天體。那麼,為何木星會成為頻繁撞擊的“靶子”,這是因為其質量太大的緣故嗎?畢竟,木星的質量相當於太陽系中所有剩餘行星、衛星、小行星、柯伊伯帶和奧爾特雲的總和。換句話說,木星只是因為它是太陽系中最大的目標而被頻頻撞擊嗎?

圖2:2019年8月7日拍攝的木星圖片顯示,木星南半球有明亮的白色瞬態閃光,這是自1994年舒梅克-列維9號彗星撞擊太陽系最大行星以來的第七次撞擊

撞擊木星事件層出不窮

2016年3月17日,兩名業餘天文學家格利特·科恩鮑爾(Gerrit Kernbauer)和約翰·麥克隆(John Mckeon)碰巧在觀測木星並記錄成像數據時,發現這顆氣態巨星的邊緣出現過一道令人驚訝的閃光,而唯一能產生這種閃光的原因就是發生了撞擊事件。儘管閃光比其他現象更容易受到關注,比如最近對月球的撞擊,但木星不僅比其他行星受到的撞擊次數更多,而且比太陽系中任何已知天體受到的高能撞擊也更多。

1994年6月,蘇梅克-列維9號彗星(Shoemaker-Levy 9)解體並與木星相撞,得益於對引力的理解,科學家們提前1年就已經預測到該事件。儘管這些碎片與木星的碰撞持續了6天,但它們使木星表面陷入黑暗長達數月時間。在分裂成20多塊碎片之前,原始彗星的直徑大約為5公里,這與撞擊地球、導致恐龍滅絕的那個天體差不多大小。

2009年7月,業餘天文學家安東尼·韋斯利(Anthony Wesley)在木星上發現了與地球大小相當的黑點。這個黑點很可能是由直徑在200公里到500公里的小行星撞擊造成的,其釋放的能量可能是通古斯事件的數千倍。

圖3:木星撞擊留下了巨大的傷疤,在可見光下可以看到很大的黑點,但在紅外線下可以看到亮點

在2010年前後,木星撞擊事件似乎非常頻繁。 2010年6月,韋斯利與克里斯托弗·戈(Christopher Go)分別觀察到木星撞擊事件。儘管閃光只持續了兩秒鐘,但撞擊木星的天體質量約有500到2000噸、直徑在8到13米之間。據稱,木星可能每年都會被幾個這種大小的天體撞擊。

僅僅幾個月後,也就是2010年8月,木星上又發生了撞擊事件,造成了規模稍小、強度較低的閃光,但其釋放的能量可能與車里雅賓斯克事件相差無幾。鑑於科學家目前對木星的了解,我們實際上可以開始對撞擊它的物體進行分類。

還有很多其他的撞擊事件:2012年9月,丹·彼得森(Dan Petersen)在木星上觀測到另一次“閃光”,天文學家喬治·霍爾(George Hall)甚至捕捉到了它的視頻。科學家們確定撞擊天體的大小與2010年8月的那次大致相同,直徑小於10米。最近幾年,比如2016年3月、2018年5月和2019年8月,木星都曾遭到天體撞擊,襲擊者的直徑介於8米到20米之間。

木星體積太大最顯眼?

很可能其他行星也會受到撞擊,但是所有的數據都表明,木星受到撞擊的頻率比任何其他行星都要高。這到底是為什麼?

圖4:地球和木星的體積對比。從橫截面積來看,木星的橫截面積是地球的125倍,這將導緻小行星和彗星撞擊火星的機率是地球的125倍,但實際頻率要高得多

毫無疑問,你首先要考慮體積因素。當我們討論任何行星受到撞擊的頻率時,最簡單的估計是把三個因素疊加起來:撞擊天體(彗星、小行星、流星等)的速度、可以相互作用的天體數量密度以及它們可能撞擊的橫截面。

經過木星與地球的彗星和小行星的速度幾乎完全相同,它們的密度也大致相同。由於木星離小行星帶更近,所以遭遇小行星撞擊的可能性更高。但是橫截面卻大不相同:木星的直徑大約是地球的11.2倍,這意味著它的橫截面大約是地球的125倍。

然而,更大的撞擊頻率不能僅用體積大小和橫截面來解釋。 2009年對木星的撞擊來自比美國亞利桑那州巴林杰隕石坑更大的天體。據估計,這類撞擊在地球上大約每隔1萬到10萬年才會發生一次。單就其體積而言,科學家們預計這種規模的撞擊木星每100年也不會遇到一次。然而,在過去的25年裡,我們已經看到了木星遭到至少2次大規模撞擊。

這表明了另一個令人不安的事實:如果地球被這些體型龐大的天體撞擊的頻率與木星同樣高,那麼我們不僅每100年就會看到巴林杰隕石坑規模的撞擊,而且滅絕級別的事件發生的頻率將是實際發生的數千倍!

這顆導致恐龍滅絕的小行星在6500萬年前撞到地球上,撞擊面約有5到10公里寬,而舒梅克-列維9號彗星1994年撞擊木星時,其大小和釋放的能量與此都差不多。 1994年,我們真的只是碰巧看到了五十萬分之一的撞擊機率嗎?這是極不可能的。相反,我們必須考慮木星與地球不同的另一個主要方面:引力。

質量高引力大“招風”

行星並不只是靜止於太空中,等著其他天體來撞,它們會以一種與質量成正比的方式扭曲時空本身的結構。行星的質量越大,它對周圍所有物體、正在下落的物體和附近物體的引力就越大。相比之下,當我們將其放在木星附近觀察時,地球的引力顯得相當弱小。如果某個天體以10千米/秒或更低的速度緩慢地從地球附近經過,地球的引力場會很好地把它吸引過來。但小行星的速度可達17千米/秒或更高,彗星的運動速度則超過了50千米/秒。換句話說,地球引力場並不能幫我們把物體吸引過來。

但是木星的質量是地球的317倍。它的半徑很大,只要物體相對於它的運動速度小於50千米/秒,它就能將其引向附近。換句話說,每顆小行星和大多數經過木星附近的彗星都有被這個巨大星球的引力拉向碰撞軌道的風險。

圖5:星正在吞噬其最大的衛星木衛三。與太陽系中所有其他行星不同的是,木星具有如此巨大的引力,以至於經過它附近的小行星和彗星都很可能被它的引力勢阱所吸引,並與我們太陽系中最大的氣體巨星相撞

的確,木星的體積比地球大,而且這種增大的體積可將碰撞頻率提高100多倍。但實際上,木星遇到的撞擊機率比這個數字還要高數百倍。這是為何?因為木星的引力足以吸引大量的彗星和小行星靠近它,這是地球無法做到的。木星如此頻繁地受到撞擊,是由於引力的綜合作用,以及距離太陽更遠的物體速度更慢因此更容易被捕獲所致。

體積確實很重要,但沒有引力那麼重要。特別是,相對於這顆氣態巨星附近天體的運動速度來說,引力所起的作用最大。太陽系中唯一能更好地捕捉小行星和彗星的天體就是太陽,但木星的捕捉能力緊隨其後。與人們普遍認為“木星似乎根本沒有保護太陽系內部”的觀點相反,它實際上充當了“出氣筒”,用來吸引那些本來不會擊中任何東西的天體。

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