卫星的形成
卫星的形成
卫星是怎样形成的？这个问题比行星的形成更难解决。有关太阳系起源的好些个学说都认为，卫星的形成是行星形成的小规模重复。原始星云在收缩时由于自转加快而在原太阳周围形成一个星云盘，盘里的固体质点（包括原来存在于星际云内的以及盘形成后才凝聚的）逐渐集聚成行星。对于木星和土星，是先集聚成固体核，然后才吸积气体。但是，至少对于类地行星和天王星、海王星，它们的卫星的形成不可能是行星形成的小规模重复，因为这些固态行星并不是由自转着的弥漫物质云形成的，所以不会分出星云盘来产生卫星。
月球是地球的卫星，是除了流星体以外离地球最近的天体。关于月球的起源，也有几种不同的看法，大体说来有分出说、俘获说、共同形成说和大碰撞说这4种看法。关于双星的起源和行星物质的来源，也主要是这4种看法。①分出说认为，月球是从地球分出去的，所以月球的平均密度3．34克/厘米3才和地球外层的密度差不多。有人甚至认为，月球是从太平洋分出去的。问题是，究竟什么力量使月球这么大的一个物体从地球分出去？地球的快速自转和火山爆发，其力量都不足以把这么大的一个物体抛出去。②俘获说认为，月球原来是在太阳系空间的另一处形成的，后来走到地球附近，才被地球俘获过来。所以，月球的化学组成才和地球不一样，月球的铁含量只有地球铁含量的一小半。③共同形成说认为，月球和地球是由同一团弥漫物质形成的，地球形成后，在它周围的残余的弥漫物质再形成月球，并绕地球转动起来。④大碰撞说是近年来关于月球成因的新假设。1986年3月20日，在休士顿约翰逊空间中心召开的月亮和行星讨论会上，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的本兹、斯莱特里和哈佛大学史密斯天体物理中心的卡梅伦共同提出了大碰撞假设。这一假设认为，太阳系演化早期，在星际空间曾形成大量的“星子”，星子通过互相碰撞、吸积而长大。星子合并形成一个原始地球，同时也形成了一个相当于地球质量0．14倍的天体。这两个天体在各自演化过程中，分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此相遇的机会就很大。一次偶然的机会，那个小的天体以5千米/秒左右的速度撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态，使地轴倾斜，而且还使那个小的天体被撞击破裂，硅酸盐壳和幔受热蒸发，膨胀的气体以及大的速度携带大量粉碎了的尘埃飞离地球。这些飞离地球的物质，主要由碰撞体的幔组成，也有少部分地球上的物质，比例大致为0．85∶0．15。在撞击体破裂时与幔分离的金属核，因受膨胀飞离的气体所阻而减速，大约在4小时内被吸积到地球上。飞离地球的气体和尘埃，并没有完全脱离地球的引力控制，它们通过相互吸积而结合起来，形成全部熔融的月球，或者是先形成几个分离的小月球，在逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。
“分出说”示意图
“大碰撞说”示意图
卫星系统和行星系统有许多相似的地方。规则卫星所组成的系统也具有共面性、同向性、近圆性，轨道面和中心体的赤道面大致符合，全部绕转体的总质量比中心体小得多，提丢斯—波得定则在这里也适用。另一方面，卫星系统和行星系统也有很不相同的地方：①卫星有规则卫星和不规则卫星之分，后者轨道偏心率和倾角都很大，一部分还逆行。②除地月系以外，卫星系统的轨道角动量都比中心体的自转角动量小，不存在角动量分布异常的问题。③中心体还不像太阳那样自己发光，不控制系统的温度分布，不大量抛射物质。如果只看到卫星系统和行星系统相似的地方，而不看到不同的地方，那我们就会陷入片面性。瑞典物理工作者阿尔文过分地、片面地强调卫星系统和行星系统的相似性。他认为，不能同时说明卫星和行星的起源的学说一定是错误的，并把这个原则称为“天体演化学原则”。阿尔文的真意，是主张卫星形成过程和行星形成过程完全一样，都是按照他所提出的那种方式形成的。不过，阿尔文也承认不规则卫星和规则卫星很不一样，它们完全可能有不同的形成方式。
木星有13个卫星，里面5个是规则的，外面8个是不规则的。土星有10个卫星，里面8个是规则的，外面2个是不规则的。在木星形成过程的后期，引力吸积是主要的集聚机制，进入木星胎引力范围内的星子大部分都终于落入木星胎，成为它的组成部分。但是，如果有一个星子进入行星胎引力范围后和另一星子相遇，它的速度有可能减小，有可能从抛物线速度减小到椭圆速度，这样，它就不是落入行星胎，而是绕行星胎旋转起来。随着木星胎的质量变大，它的引力范围也越来越大，于是，绕它转动的星子越来越多，形成了一个星子盘。还有一个促使星子盘形成的重要因素，是木星胎的延伸气壳的形成。木星胎的质量增加到大约1025克时，它就开始吸积气体，但起初的吸积过程很慢。因此，在此后一段时间内，木星胎主要仍然是吸积星子。然而，当绝大部分星子都已经被吸积，木星胎的质量增加到今天木星质量的15%左右时，木星胎就主要是吸积气体。在这个时间到来前后，木星胎周围的气体越积越多，终于形成为一个圆圆扁扁的很大的气壳。如果星子进入气壳内，它的速度就由于气体的阻力而降低，最后绕木星胎转动起来。如果星子原来轨道的偏心率和倾角比较大，那么，气体和固体质点的阻尼会使偏心率和倾角逐步减小，后来，这些绕木星胎转动的星子便逐渐集聚成木星的规则卫星。规则卫星绕木星胎转动的轨道原来也比较大，当木星胎由于吸积气体而质量增大，吸引力随之加强以后，卫星轨道的半长径才减小下来。木星的8个不规则卫星都很小，它们原来都是木星区或邻近区域（小行星区、火星区、土星区）里的星子，后来被俘获到木星胎气壳之外才成为木卫。这些不规则木卫由于一开始就处在气壳之外，所以它们的轨道的偏心率和倾角现在仍然很大，最外面的4个小木卫甚至是逆行的。木卫一、二、三、四的平均密度都已定出，它们都比木星的平均密度大。这是因为，木卫由星子形成，质量比木星小得多。它们不能吸积气体，所以密度大些。
土星的卫星系统的形成和木星的卫星系统的形成是一样的。在土卫十里侧，原来很可能还有过一个卫星，在土星胎吸积了气体，质量增加以后，原来的这个卫星进一步接近土星，终于被土星的潮汐力所粉碎，变成了许多小星子。这些小星子仍然绕土星转动，这就是人们今天看到的土星光环。
太阳系里第三大的卫星系统是天卫系统。天王星有5个卫星，它们都在天王星的赤道面上绕天王星转动。天王星的自转轴和公转轴有一个很大的交角，等于98°，这就是说，天卫绕天王星的轨道面和公转轨道面的交角大到98°。这种情况在太阳系里是独一无二的。根据上一节所描述的行星形成的过程，很可能是天王星在形成过程的后期曾经被天王区里一个很大的星子碰了一下，致使天王星从原来的自转方向改变到今天的自转方向，同时还碰出了一些物质，其中一部分就绕天王星转起来。这些物质开始时温度高达数千度，但很快就冷却下来，逐渐凝聚成固体质点，然后固体质点集聚成星子，在天王胎周围形成了一个星子盘，最后才逐渐集聚成天卫。今天天卫绕行星的轨道半径比木卫和土卫小，这也表明它们形成的方式不一样。
火星的2个小卫星原来是火星区或小行星区的2个星子，后来才被火星俘获过来，成为火卫。月球也很可能是地球区的一个很大的星子，后来被地球俘获过来，才成为地球的卫星。最近有人提出，地球形成以后几千万年，曾经被一个半径约1200千米的残余大星子碰到，碰出了足够的物质以形成月球。当时地球物质已开始重力区分，被碰出的物质是含铁较少，密度较小的。这样就说明了月球的密度比地球的密度小。这是一种新的分出说。阿尔文则主张俘获说。他和其他一些研究太阳系起源问题的人认为，月球刚被地球俘获时是绕地球逆行的，由于地球对它的长期潮汐摩擦作用，才逐渐改变了月球绕地球轨道的倾角，使月球轨道的倾角从大于90°逐渐变成小于90°，月球从逆行变成顺行。月球绕地球逆行时，潮汐摩擦作用还使月球逐渐接近地球，而在月球变成顺行以后，又逐渐离开地球。阿尔文等人认为，地球原来有几个小的卫星，离地球都较近，在月球接近地球时，它把这些小卫星都一个一个地吞下去了，这就是最近观测到的月瘤。月瘤的质量从4×1020克到1．4×1021克。月面上的一些海，也有可能是地球原来的小卫星落入月面时造成的。小卫星把月壳击穿，使内部的熔岩流出来，就形成了平坦的“海”。
海王星有13个卫星，里面的海卫一最大，逆行；外面的海卫二很小，顺行，它的轨道是太阳系中离心率最大的卫星轨道之一。阿尔文等人认为，海卫一原来也是海王区里的大星子，在不太远的过去才被海王星俘获过来，成为海王星的卫星。海卫一起初被俘获到绕海王星逆行的轨道上，潮汐摩擦作用使它逐渐接近海王星。它接近时把海王星原有的几个小卫星都吞了下去，只剩下海卫二没有吃掉。由于海卫一比月球晚得多被俘获，所以还没有足够的时间来从逆行变为顺行。有人提出，冥王星原来是海王星的一个大卫星，其轨道在海卫一轨道之内，海卫一原来绕海王星转动的轨道比今天的轨道大好些。后来海卫一和冥王星相遇，结果是海卫一的轨道变小了，损失的能量传给冥王星，使得冥王星脱离海王星的束缚，变成一个行星。