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为何木星成为天体撞击"出气筒"?身高体壮成靶子

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(原标题:Why Does Jupiter Get Hit By So Many Objects In Space?)

作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

图1:2013年2月,流星击中了俄罗斯车里雅宾斯克市,这是自1908年发生通古斯卡事件以来地球上发生的最大规模、最猛烈的天体撞击事件

对于地球上的人类来说,最可怕的末日景象之一可能就是地球被快速移动的巨大彗星或小行星撞击。这样的天体会以巨大的力量撞击地球,以至于造成毁灭性的灾难,就像2013年的车里雅宾斯克事件或1908年的通古斯事件那样,可能会造成数百万人死亡,并造成数十亿美元的财产损失。更大天体对地球撞击产生的影响可能更大,比如大约6500万年前造成恐龙灭绝的那次。

尽管如此,地球所经历的撞击依然无法与木星相提并论,后者是太阳系中受天体撞击次数最高、受影响也最大的天体。那么,为何木星会成为频繁撞击的“靶子”,这是因为其质量太大的缘故吗?毕竟,木星的质量相当于太阳系中所有剩余行星、卫星、小行星、柯伊伯带和奥尔特云的总和。换句话说,木星只是因为它是太阳系中最大的目标而被频频撞击吗?

图2:2019年8月7日拍摄的木星图片显示,木星南半球有明亮的白色瞬态闪光,这是自1994年舒梅克-列维9号彗星撞击太阳系最大行星以来的第七次撞击

撞击木星事件层出不穷

2016年3月17日,两名业余天文学家格利特·科恩鲍尔(Gerrit Kernbauer)和约翰·麦克隆(John Mckeon)碰巧在观测木星并记录成像数据时,发现这颗气态巨星的边缘出现过一道令人惊讶的闪光,而唯一能产生这种闪光的原因就是发生了撞击事件。尽管闪光比其他现象更容易受到关注,比如最近对月球的撞击,但木星不仅比其他行星受到的撞击次数更多,而且比太阳系中任何已知天体受到的高能撞击也更多。

1994年6月,苏梅克-列维9号彗星(Shoemaker-Levy 9)解体并与木星相撞,得益于对引力的理解,科学家们提前1年就已经预测到该事件。尽管这些碎片与木星的碰撞持续了6天,但它们使木星表面陷入黑暗长达数月时间。在分裂成20多块碎片之前,原始彗星的直径大约为5公里,这与撞击地球、导致恐龙灭绝的那个天体差不多大小。

2009年7月,业余天文学家安东尼·韦斯利(Anthony Wesley)在木星上发现了与地球大小相当的黑点。这个黑点很可能是由直径在200公里到500公里的小行星撞击造成的,其释放的能量可能是通古斯事件的数千倍。

图3:木星撞击留下了巨大的伤疤,在可见光下可以看到很大的黑点,但在红外线下可以看到亮点

在2010年前后,木星撞击事件似乎非常频繁。2010年6月,韦斯利与克里斯托弗·戈(Christopher Go)分别观察到木星撞击事件。尽管闪光只持续了两秒钟,但撞击木星的天体质量约有500到2000吨、直径在8到13米之间。据称,木星可能每年都会被几个这种大小的天体撞击。

仅仅几个月后,也就是2010年8月,木星上又发生了撞击事件,造成了规模稍小、强度较低的闪光,但其释放的能量可能与车里雅宾斯克事件相差无几。鉴于科学家目前对木星的了解,我们实际上可以开始对撞击它的物体进行分类。

还有很多其他的撞击事件:2012年9月,丹·彼得森(Dan Petersen)在木星上观测到另一次“闪光”,天文学家乔治·霍尔(George Hall)甚至捕捉到了它的视频。科学家们确定撞击天体的大小与2010年8月的那次大致相同,直径小于10米。最近几年,比如2016年3月、2018年5月和2019年8月,木星都曾遭到天体撞击,袭击者的直径介于8米到20米之间。

木星体积太大最显眼?

很可能其他行星也会受到撞击,但是所有的数据都表明,木星受到撞击的频率比任何其他行星都要高。这到底是为什么?

图4:地球和木星的体积对比。从横截面积来看,木星的横截面积是地球的125倍,这将导致小行星和彗星撞击火星的几率是地球的125倍,但实际频率要高得多

毫无疑问,你首先要考虑体积因素。当我们讨论任何行星受到撞击的频率时,最简单的估计是把三个因素叠加起来:撞击天体(彗星、小行星、流星等)的速度、可以相互作用的天体数量密度以及它们可能撞击的横截面。

经过木星与地球的彗星和小行星的速度几乎完全相同,它们的密度也大致相同。由于木星离小行星带更近,所以遭遇小行星撞击的可能性更高。但是横截面却大不相同:木星的直径大约是地球的11.2倍,这意味着它的横截面大约是地球的125倍。

然而,更大的撞击频率不能仅用体积大小和横截面来解释。2009年对木星的撞击来自比美国亚利桑那州巴林杰陨石坑更大的天体。据估计,这类撞击在地球上大约每隔1万到10万年才会发生一次。单就其体积而言,科学家们预计这种规模的撞击木星每100年也不会遇到一次。然而,在过去的25年里,我们已经看到了木星遭到至少2次大规模撞击。

这表明了另一个令人不安的事实:如果地球被这些体型庞大的天体撞击的频率与木星同样高,那么我们不仅每100年就会看到巴林杰陨石坑规模的撞击,而且灭绝级别的事件发生的频率将是实际发生的数千倍!

这颗导致恐龙灭绝的小行星在6500万年前撞到地球上,撞击面约有5到10公里宽,而舒梅克-列维9号彗星1994年撞击木星时,其大小和释放的能量与此都差不多。1994年,我们真的只是碰巧看到了五十万分之一的撞击几率吗?这是极不可能的。相反,我们必须考虑木星与地球不同的另一个主要方面:引力。

质量高引力大“招风”

行星并不只是静止于太空中,等着其他天体来撞,它们会以一种与质量成正比的方式扭曲时空本身的结构。行星的质量越大,它对周围所有物体、正在下落的物体和附近物体的引力就越大。相比之下,当我们将其放在木星附近观察时,地球的引力显得相当弱小。如果某个天体以10千米/秒或更低的速度缓慢地从地球附近经过,地球的引力场会很好地把它吸引过来。但小行星的速度可达17千米/秒或更高,彗星的运动速度则超过了50千米/秒。换句话说,地球引力场并不能帮我们把物体吸引过来。

但是木星的质量是地球的317倍。它的半径很大,只要物体相对于它的运动速度小于50千米/秒,它就能将其引向附近。换句话说,每颗小行星和大多数经过木星附近的彗星都有被这个巨大星球的引力拉向碰撞轨道的风险。

图5:星正在吞噬其最大的卫星木卫三。与太阳系中所有其他行星不同的是,木星具有如此巨大的引力,以至于经过它附近的小行星和彗星都很可能被它的引力势阱所吸引,并与我们太阳系中最大的气体巨星相撞

的确,木星的体积比地球大,而且这种增大的体积可将碰撞频率提高100多倍。但实际上,木星遇到的撞击几率比这个数字还要高数百倍。这是为何?因为木星的引力足以吸引大量的彗星和小行星靠近它,这是地球无法做到的。木星如此频繁地受到撞击,是由于引力的综合作用,以及距离太阳更远的物体速度更慢因此更容易被捕获所致。

体积确实很重要,但没有引力那么重要。特别是,相对于这颗气态巨星附近天体的运动速度来说,引力所起的作用最大。太阳系中唯一能更好地捕捉小行星和彗星的天体就是太阳,但木星的捕捉能力紧随其后。与人们普遍认为“木星似乎根本没有保护太阳系内部”的观点相反,它实际上充当了“出气筒”,用来吸引那些本来不会击中任何东西的天体。

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