轨道共振现象及火山活动-太阳系简史

计算机模拟表明，在太阳星云吸积气体的阶段，每个巨行星的周围都有一个气体尘埃盘。星云的气体进入该环行星盘后在里面四处游走，然后落在行星上。规则卫星比如伽利略卫星，就是由该环行星盘里的固态颗粒形成的，这一过程类似于太阳系里行星的形成过程。但有一个重要的区别：规则卫星的轨道周期远比行星的短。

如果伽利略卫星的全部质量都来自木星的环行星盘里的小颗粒，那么卫星完全成形只需要大约1000年。如此快的生长速度会产生大量热量，这些热量足够使木卫四熔化并且使密度较大的物质下沉到内部。鉴于木卫四没有分层，因此它的生长速度一定很慢，至少需要100000年才能达到今天的大小。另外，大质量环行星盘的温度太高，所以，木卫二和木卫三今天的位置不可能形成冰。生长中的卫星和大质量气体尘埃盘之间的潮汐作用也会使卫星向内迁移，与木星相撞并被摧毁。

因此，木星的环行星盘应该非常稀薄，至少在卫星生长的时候是这样。大量气体流经盘，但只有一部分留了下来。跟随流入的气体一同聚来的固态颗粒很快凝聚成更大的物体，并继续停留在气体尘埃盘里，气流源源不断地流到行星上。因此，固态物质对气体的比率会随着时间增加。这一不停吞噬气体的盘中固态物质的慢速累积以及盘的稀薄特性，说明了卫星需要很长时间才能形成，同时气体尘埃盘的温度也足够低，以致形成了冰。

今天我们看到的规则卫星很可能是在行星形成的末期才出现的。在那时，流入的气流变小，环行星盘也达到最稀薄，潮汐作用已经弱到无法使卫星撞上行星。太阳系早期存在的大部分放射性同位素已经衰变完毕，木卫四内部的放射性加热也已经到了最低水平。早期形成的卫星有可能已经掉进它们的行星里，我们今天看到的是它们的幸存者。木星、土星和天王星的卫星系统的质量各自都相当于它们本身的0.01%，因此，卫星形成时应该存在一个自我控制过程。可能的情况是，当卫星发展到更大时，它们就会落入行星，同时卫星的生长再次开始。(www.xing528.com)

多个规则卫星的轨道之间会形成共振，而其中最著名的就是拉普拉斯共振，即木卫一、木卫二、木卫三的轨道周期比值为1∶2∶4。土星有6对卫星也处于共振位置。共振仅凭偶然发生的概率非常小，这说明许多卫星是在形成后轨道发生变化才进入共振位置的。这可能是在卫星移居至环行星盘的过程中发生的。当然，共振也有可能在环行星盘消失之后才发生，这时，行星的潮汐作用迫使卫星的轨道向外扩张。

今天，木卫一、木卫二和木卫三在不断适应木星引力潮对它们施加的张力时会产生热量，可以说这些热量都是从拉普拉斯共振中获得的。最靠近木星的木卫一的温度最高，因此，木卫一成为太阳系中火山活动最活跃的天体。潮汐加热有助于维持木卫二冰冻地壳以下的液态水海洋和木卫三内部深处的液态水。在木卫二上，潮汐加热将其冰质的地壳分裂成几个板块，并不断地漂移向彼此。这些卫星上面的地质活动说明，它们的表面比木卫四要年轻得多。