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前几天我们一直在谈论土星及其光环。卡西尼号也穿过它一次。但是我们都知道火星没有光环。其他行星也没有光环。那为什么这些行星没有环呢？科学家告诉我们，火星有环，但它后来消失了。下图是恒星环的模拟图片。

主题:火星环的艺术想象(来源:TusharMittal)

行星环:一些行星被大量细分的物质和粒子包围，这些物质和粒子聚集成一个环形，围绕着行星。这是行星环。像无数卫星的天然卫星一样，它们共同围绕行星运行，并保持环的形状。

罗氏极限:当一个天体绕着另一个天体运行时，离后者中心的距离小到足以被后者撕裂，这个距离称为“罗氏极限”。18世纪中叶，法国天文学家洛奇首次研究了这个问题，因此他以洛奇的名字命名了极限。一些理论认为，当一颗卫星进入地球的罗氏极限时，它会被撕成环状。

土星、木星、天王星和海王星也有环。这四颗行星是太阳系中的气态巨行星。太阳系的其他四大行星(水星、金星、地球、火星)是实心行星，它们都没有光环。

然而，如果有人告诉你火星以前有过环，你可能会感到惊讶。如果有人告诉你，火星环在过去几十亿年中已经多次变成卫星和环，如果现在的卫星——火卫一和戴莫斯——将来会变成环，你会更加惊讶。

那么，为什么火星以前有环呢？这枚戒指是怎么来的？随着卫星的出现，它会发生什么变化？故事开始于火星现有的两颗卫星。

火星的两颗卫星

火星的两颗卫星都非常小，形状不规则。火卫一的平均半径只有11.3公里，质量是月球的1/10万。火卫一的轨道半径(准确地说，是半长轴)是9376公里，是火星半径的2.76倍。

火卫一比较小，大约和北京三环路一样大。平均半径只有6.2公里，质量只有火卫一的七分之一。火卫一的轨道半径为23463公里，是火星半径的6.92倍。

-图1。火卫一(左)和火卫一(右)的特写照片(来源:美国宇航局/JPL-加州理工大学/亚利桑那大学)。

-图2。火卫一、火卫一和火星距离示意图(照片来源:摩根塔格林/CCBY-SA3.0)

虽然火卫一非常接近火星，它的轨道半径只有火星半径的3倍左右(相比之下，月球的轨道半径大约是地球半径的60倍)，但由于它太小，火卫一在火星上引起的日食不可能是日全食，而只能是日偏食和日环食，如图3所示。因为火卫一更小更远，它阻挡了由太阳引起的日食，而且它的阴影比火卫一阻挡它时要小得多。因此，我们必须感谢月球的大小和它与地球的距离，这给了我们一个观看日全食的机会。

-4。-图3。好奇号探测器捕捉到的火星日食被火卫一挡住了(来源:美国宇航局)

火星卫星的起源

火星的两颗卫星的起源已经争论了很长时间。有些人认为这两颗卫星是和火星同时形成的。有些人认为他们是被火星捕获的。一些人认为它是由一个更大的天体撞击火星后散落到太空的碎片逐渐凝结而成的。然而，前两个模型都不能解释火星卫星系统的特征。虽然最后一个模型更合理，但它不能给出撞击后卫星形成的细节。

2016年6月，罗森布拉特和比利时皇家天文台的其他人在《自然科学》上发表了一篇论文。他们对撞击后卫星形成的过程进行了数值模拟。

根据这个新的数值模拟，在火星形成后的1亿到8亿年间，一颗三分之一火星大小的行星撞击了火星。

-图4。原始行星撞击火星的艺术想象。(资料来源:巴黎第二大学/拉贝沙尼瓦尔斯)

大撞击后，部分碎片被反弹回空中，在火星周围形成一个环。它的物质分布非常广泛，直到它远离火星赤道。

根据环中物质与火星的距离，新形成的环分为两部分:内环离火星较近，外环离火星较远。内环的物质密度相对较高，不久将形成一颗质量是今天火卫一1000倍的大卫星。在这颗新形成的大卫星的引力作用下，外环区域的物质逐渐浓缩成大约十颗小卫星。

几百万年后，在内圈形成的大卫星落到了火星上，而在外圈形成的大部分小卫星也落到了火星上，只剩下两颗小卫星。两个幸存者是火卫一和火卫一。由于火卫一和火卫一形成于低密度的外环，它们的密度低于火星。

-6。-图5。撞击(左上)、环形编队(右上)、大小卫星编队(左中右)、靠近火星的大卫星(左下)、留下两颗小卫星(右下)(来源:a . Trinh-RoyalObservatoryofBelgium)

在罗森布拉特等人的模型中，火卫一和火卫一自形成以来一直保持不变。

“环-星-环”的循环变换过程

罗森布拉特等人的论文发表后不久，普渡大学物理和天文系的赫斯布洛克和地球、大气和行星科学系的明顿进行了一次新的数值模拟。该论文发表在2017年3月20日的《自然地球科学》杂志上。

赫塞尔布洛克和明顿的新模拟显示，大撞击后形成的不是至今仍存在的火卫一，而是火卫一的远祖(“前身”)，它在环状态和卫星状态之间做了许多循环变化，直到它成为火卫一。

在这个新模型中，大碰撞后抛向空中的物质环形成了火卫一的前身，然后火卫一的前身慢慢接近火星。然而，如果距离太近，将会产生灾难性的后果:在天体周围有一个被称为罗切米特的距离极限。如果两个天体之间的距离太小，以至于一个天体处于罗氏极限，那么另一个天体就会把这个天体撕裂，成为另一个天体的环。

根据赫塞尔布洛克和明顿的模拟，数十亿年前，火卫一的前身是在撞击后形成的物质环中形成的。随后，火卫一的前身首次进入罗氏极限，并被撕裂成分布广泛的环。环中约80%的片段位于罗氏极限。这些碎片像雨滴一样落到地面，形成陨星雨，并在赤道附近积累。大约20%的剩余环状物质在罗氏极限之外，慢慢堆积成新的卫星。结果，新卫星的质量只有其前身的五分之一。

此后，新卫星再次进入罗氏极限，并再次被撕裂成环。然后，罗氏极限的大部分物质变成了陨星雨，降落在火星表面。罗氏极限外的剩余碎片凝聚成新的卫星。

赫塞尔布洛克和明顿的新模拟显示，在过去43亿年里，这种“环-卫星-环……”循环发生了三到七次，每次都有大量的环物质落在火星赤道附近，然后形成比以前小得多的卫星。经过如此多的“环-卫星-环……”循环，比他的“远祖”小得多的火卫一形成了。

当火卫一的轨道半径改变到一定的尺寸时，它会与火卫一的轨道产生共振。这种共振会改变火卫一的轨道，但基本上不会影响火卫一的轨道。

流星雨和赤道沉积物

这个最新的模型不仅可以像以前的模型一样解释火星北极的大盆地，还可以解释火星赤道的多余沉积物。这些沉积物的厚度约为几公里。如果所有这些沉积物都落在火星赤道附近，赤道附近松散沉积物的厚度将达到2公里。将来，人们可以发射新的探测车并研究这些积累来测试模型的正确性。

火卫一将在未来成为一枚戒指。

我们的月球以每年几厘米的速度离开地球，太阳系中其他行星的大多数卫星也远离它们对应的行星。只有两颗卫星靠近它们周围的行星，一颗是火卫一，另一颗是海卫一。

随着火卫一越来越接近火星，可以预计在未来的某个时刻，它将进入火星的罗氏极限，然后要么被撕裂，要么继续接近火星，直到它撞上火星。

2015年，博士后布莱克和伯克利加州大学地球与行星科学系的研究生米塔尔基于数值模拟得出结论，火卫一将在2000万至4000万年内部分撕裂，其松散部分将成为一个与当前土星环质量相同的环，其相对坚固的部分将继续靠近火星，直到最终撞上火星。这篇论文发表在《自然地球科学》上。

-7。-图6。火卫一正在逐渐接近火星，其中一些将在未来被撕裂成环状，而其余的将最终撞击火星。黑色和TusharMittal，自然科学)

至于预测火卫一将来会成为一个环，上述由赫斯布鲁克和明顿的新论文也得出类似的结论，但环的形成时间略有不同:他们认为它将发生在7000万年后。

现在让我们总结一下上述工作的主要结论和独特之处:首先，火卫一以前是一种环状物质，以前已经被指出和仔细研究过，但现在它有了进一步的发展。罗森布拉特等人首次给出了环形成的具体过程。其次，赫塞尔布洛克和明顿的新研究首次提出，火卫一自形成以来经历了许多“环-卫星-环……”的循环，而不是像以前认为的那样。第三，火卫一将在数千万年后成为一个火星环，届时地球人将看到壮观的火星环。

在不久的将来，火星赤道沉积物将由人类发射的探测器进行研究。这些研究将检验这些新研究是否正确。让我们拭目以待吧！

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