问大家一个问题：地球有多少颗卫星？当然，我说的是天然卫星，不考虑人造卫星。答案是一个——月亮。简单吧？但换个角度想：如果换一下参考系，看看地球周围，答案更像是7个。如果思路再开阔点，数量只会更多。怎么会这样呢？要解释明白，我们得先说说准卫星和马蹄形轨道的概念。轨道力学这门学科相当奇怪。如果只有两个天体，例如一颗行星围绕一颗恒星运行，问题就会简单很多。前者的轨道可能是圆形或椭圆形（拉长的圆）或另外几种数学形状。绕恒星运行一圈花费的时间被称为行星的轨道周期，它往往保持不变。（在圆形轨道运行的行星速度保持不变，而在椭圆形轨道运行的行星距离恒星更近时速度更快，距离恒星更远时速度更慢）此时，假设存在第三个天体，比如一颗小行星，也在围绕恒星运行。它的轨道同样可能是圆形或椭圆形。站在上帝视角来看，小行星和行星分别在不同的轨道上、以不同的速度和周期运行。奇怪的地方来了。假设小行星的轨道尺寸与行星非常相似，但略偏椭圆一些。它在特定位置（近日点和远日点）与恒星的距离也刚好合适，就能使得它的轨道周期与行星的周期几乎完全相同。不仅如此，它在绕太阳运行时正好在行星附近。从上帝视角看，它和行星都围绕着恒星运行，转一圈经历的时间相同。小行星的运行速度有时比行星快，有时比行星慢，总而言之它的平均轨道速度与行星基本一致。具体来说，当这颗小行星离恒星更远时，它的轨道也在行星之外，此时它的速度较慢，会逐渐落后于行星。一段时间之后，它会来到离恒星更近的位置，此时它的速度快过行星，就能逐渐追上并超过行星。之后它再度来到离恒星更远的位置，速度再减缓，如此往复。到目前为止，这个故事听起来还很正常。但如果站在行星的角度，情况则大不相同——小行星似乎一直保持在行星附近，有时离太阳更近并向前运行，有时离太阳更远而向后运行。换句话说，这就像是小行星在围绕地球运转！这听起来很像卫星的运行方式。然而，这只是站在行星视角上看到的一种假象，小行星实际上并没有围绕行星运行，而是在围绕恒星运行。只是小行星的运动恰好与行星的步调相近，使得小行星看上去是在绕着行星转。我们可以用日常情景做一个类比，想象一下：你正在一条三车道上沿中间车道行驶，一辆车从左侧车道超车，随后连续变道到右侧车道，慢下来让你超过它，再变道到左侧车道并再次加速超过你。从你的视角看这辆车似乎在围绕着你开，而在路人视角看，它只是在左右变道，同时定期加速或减速。具有类似轨道的天体被称为准卫星。它们并不是真正的卫星，因为它们实际上是围绕恒星运行而非行星。并且它们往往离行星太远，行星的引力无法俘获它们。这才是开头的那个问题真正棘手的地方：地球就有几颗以这种模式运行的准卫星。例如469219号小行星“振荡天星”（Kamo‘oalewa），这颗小行星宽约50米，轨道周期为1.002地球年，公转周期仅比地球长约17小时。它的轨道略微偏椭圆，近日点和远日点比地球分别近和远大约1500万千米。它的轨道与地球轨道有较小的夹角，约为8°。站在地球的视角来看，振荡天星就像是围绕地球运行一样，正如前文提到的“绕圈”的车。振荡天星并不孤单，只是它的伙伴们总是不太一样。如果一颗小行星以类似的轨道运行，但位置足够领先地球，尽管它还是会因为离太阳的距离不同而加速和减速，却永远不会被地球超越。（这就像前文说的另一辆车在你前方很远的位置行驶，即使它不停加速减速，你也永远追不上它。）从我们的视角来看，这颗小行星似乎停留在天空中的特定区域内，而不是像真正的卫星那样绕地球旋转——小行星2020 PP1就是这样一种“不达标的”准卫星。另一个古怪的例子是3753号小行星“克鲁特尼”（Cruithne）。这颗小行星绕太阳运行一周需要364天，也就是说它的轨道周期略短于地球。克鲁特尼的轨道形状相当椭圆，近日点相比地球（日地平均距离为1.5亿千米）近7500万千米，两者的差距是相当大了。克鲁特尼的轨道与地球轨道的夹角达到了20°，与其他天体不同，克鲁特尼能够出现在地球相对太阳的另一侧，它偶尔也能接近到距离地球1100万千米的位置。从地球上看，克鲁特尼并没有“围绕”地球运行，所以它不是一颗准卫星，实际情况更加奇特：从地球的视角看，它的运行轨迹形似一颗蚕豆，或者说马蹄，相对于地球和太阳的位置会随着时间变化而变化，大约每770年运行一圈。虽然目前已知的地球的“真正”准卫星只有七颗，但是地球附近有更多数量的小行星沿马蹄形轨道运行。这些天体的轨道常常不稳定，行星的引力拖拽会改变它们。有时马鞍形轨道会变为准卫星轨道，反之亦然。目前我们已知的“环绕”地球运行的小行星数量并不多。然而，如果这些天体的轨道形状随着时间的推移而改变，它或许能进入准卫星或马鞍形轨道，暂时成为地球的伴侣。也不只是地球才有准卫星。金星有小行星2002 VE68，它的轨道周期与金星几乎相同，被昵称为Zoozve（背后的故事很有意思，一位插画师在绘制太阳系海报时，误把2002VE看成ZOOZVE，后来这颗小行星的正式名称也就由此定名）。它几千年来一直是金星的准卫星，但它的轨道正在改变，很快就会离开金星。尽管其他行星也可能有准卫星，但在地球上观测，它们距离我们太过遥远，不容易被发现。也许随着口径更大的望远镜开光观测，我们会发现更多这类奇怪的“假”卫星。不过这种情况再次表明，过去人们深以为然的观念——行星和卫星的定义——比你想象的要更易改变。在科学研究中，我们尽量要避免过快地下定论，思考的时候要更加灵活。这样或许就会像准卫星一样，随着时间的推移，你的人生轨迹也会改变。https://www.scientificamerican.com/article/earth-has-more-than-one-moon/本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
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