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38 土星為什麽有個遊泳圈:洛希極限

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土星周圍有一個像呼啦圈的區域叫“土星環”。它是怎麽形成的呢?這裏的關鍵概念叫“洛希極限”,是法國天文學家愛德華·洛希首先提出的。

當一個小天體靠近一個大天體的時候,大天體作用在小天體上的潮汐力大於小天體自己對自己的引力,小天體就會被撕碎,並進入大天體的軌道,成為大天體的環當中的一部分。這就是為什麽土星有個“呼啦圈”,這個呼啦圈裏都是被撕碎的小天體和各種靠近土星的宇宙物質的“屍體”。

潮汐力,顧名思義,就是會引起潮汐現象的力。一個天體,你越靠近它,感受到它的引力就越大。地球上之所以會有潮汐現象,就是因為月球作用在地球上的引力,在靠近月球的那一麵比遠離月球的那一麵更大,所以地球上的海水,有向兩端“拎”起來的趨勢。同樣地,對於任何一個天體,一旦有物體靠近它,天體作用在這個天體上的引力差所產生的向上“拎”的趨勢,超過了這個物體對自身的引力大小時,這個物體就會開始分崩離析。這個開始分崩離析的距離,就叫作這個天體的洛希極限。

可以用一個簡單模型來幫助理解:兩個質量相同的小球a和b,質量是m,它們被一根繩子連接在一起,有兩個力F1和F2分別作用在a和b上,方向都是向左,大小是F1大於F2,但是由於被繩子綁住,所以a和b作為一個整體的加速度是一樣的,由此可以算出繩子裏的張力T。因為兩個小球的加速度一樣,所以(F1-T)/m = (T-F2)/m,可以解出來T=(F1+F2)/2。當T這個繩子的張力超過繩子能夠承受的極限時,繩子就斷了,洛希極限跟這個模型基本類似。

靠近大天體的小天體,用來穩定住自己不散架的力,就是小天體對自身的引力,當潮汐力太大,大於自身引力時,小天體就會被撕碎,變成土星環裏的一分子。