為什麼土星環不會失散 ?

mca

天文學家都知道，如果一顆有相當質量的衛星太接近母行星的話，它一定被行星的引潮力扯碎而瓦解，衛星不會瓦解的最少距離稱為洛希極限 (Roche limit)，這個極限與衛星的密度有關，不過一般而言，洛希極限大約是行星半徑的 2.5 ~ 3 倍，以土星環而言 (圖一)，本質是無數的冰粒繞土星旋轉，所以反光率高，用小望遠鏡就看見了，環的厚度不足一公里，外環的半徑多在洛希極限之內，基本上不會成為衛星而只能以環形出現。

      


不過大家是否想過，為什麼土星環能夠保持環形而不散亂呢 ?  答案原來是「守護衛星」 (shepherd satellites)，它們是在洛希極限內的小衛星，質量不大，所以不易瓦解，我們姑且把守護衛星當作圍繞行星旋轉的碎片。

      


以土星環裡很窄的 F 環為例，它有一對守護衛星分別稱為 Pandora 和 Prometheus (圖二)，兩者直徑只有 ~100 km，Pandora 貼近 F 環外緣運行，軌道周期 0.63 天，Prometheus 則貼近 F 環內緣運行，軌道周期 0.61 天，以移動速度計，Pandora 一定走得慢過環粒 (F 環內的冰粒)，Prometheus 又一定走得快過環粒。假如環粒走動快過 Pandora，在後的 Pandora 引力會把環粒的速度拖慢，環粒因此更移向土星中心，假如環粒走得慢過 Prometheus，在前的 Prometheus 引力又會把環粒的速度加快，環粒因此更移離土星中心，就是這樣環粒被兩顆一前一後的一對衛星拉拉扯扯，結果環粒能保持穩定的平均速度繞土星旋轉，這對衛星就像守護神不讓環粒越軌。

Pan (圖三) 是另一顆在恩克縫內的守護衛星，直徑 20 公里，軌道周期 0.58 天。當縫的外邊環粒走得過慢而移向土星中心時，Pan  引力會把環粒拉回原位，當縫的內邊環粒走得過快而移離土星中心時，Pan  引力又會把環粒拉回，Pan 的責任就像清道夫把誤闖入縫內的粒子掃開至軌道兩旁，最後恩克縫的寬度維持在 300 km 左右。

     

   


天王星環和海王星環 (在地球見不到) 也是靠守護衛星定形的。

梅西爾

頗麻煩的數學計算：http://en.wikipedia.org/wiki/Roche_limit

mca

Wiki 似乎講得複雜些，

請參考本欄另一題目 "洛希極限 Roche limit"