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38 土星为什么有个游泳圈:洛希极限

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土星周围有一个像呼啦圈的区域叫“土星环”。它是怎么形成的呢?这里的关键概念叫“洛希极限”,是法国天文学家爱德华·洛希首先提出的。

当一个小天体靠近一个大天体的时候,大天体作用在小天体上的潮汐力大于小天体自己对自己的引力,小天体就会被撕碎,并进入大天体的轨道,成为大天体的环当中的一部分。这就是为什么土星有个“呼啦圈”,这个呼啦圈里都是被撕碎的小天体和各种靠近土星的宇宙物质的“尸体”。

潮汐力,顾名思义,就是会引起潮汐现象的力。一个天体,你越靠近它,感受到它的引力就越大。地球上之所以会有潮汐现象,就是因为月球作用在地球上的引力,在靠近月球的那一面比远离月球的那一面更大,所以地球上的海水,有向两端“拎”起来的趋势。同样地,对于任何一个天体,一旦有物体靠近它,天体作用在这个天体上的引力差所产生的向上“拎”的趋势,超过了这个物体对自身的引力大小时,这个物体就会开始分崩离析。这个开始分崩离析的距离,就叫作这个天体的洛希极限。

可以用一个简单模型来帮助理解:两个质量相同的小球a和b,质量是m,它们被一根绳子连接在一起,有两个力F1和F2分别作用在a和b上,方向都是向左,大小是F1大于F2,但是由于被绳子绑住,所以a和b作为一个整体的加速度是一样的,由此可以算出绳子里的张力T。因为两个小球的加速度一样,所以(F1-T)/m = (T-F2)/m,可以解出来T=(F1+F2)/2。当T这个绳子的张力超过绳子能够承受的极限时,绳子就断了,洛希极限跟这个模型基本类似。

靠近大天体的小天体,用来稳定住自己不散架的力,就是小天体对自身的引力,当潮汐力太大,大于自身引力时,小天体就会被撕碎,变成土星环里的一分子。