我们知道两个物体之间存在万有引力的作用,每个天体都会以自身为中心形成一个球形的万有引力势力范围;这个球形范围就叫洛希球,也被称为希尔球,是美国天文学家乔治·威廉·希尔在法国天文学家爱德华·洛希的工作的基础上定义的一个空间,在这个区域内的物体主要受到该天体的引力作用。每一个天体都有自己的洛希球,洛希球之间相互挤压,但是不会重叠,也就是说每一个天体的引力都有自己独立的势力范围。
卫星绕着行星转动依靠的是向心力,而向心力就是由引力提供的,所以一个小天体要想成为某一个大天体的卫星,那它必须位于那个大天体的洛希球内。所以我们考虑一个天体是否存在卫星,首先就要思考一下该天体的洛希球有多大。
那么怎么计算一个天体的洛希球的大小呢?如果一个天体(例如地球)质量是m,被它环绕的更大的天体(例如太阳)质量是M,轨道半长轴是a,离心率是e,那么这个天体(例如地球)的洛希球半径r的近似值为:
经计算,地球的洛希球半径为150万千米,所以地球很轻易的就捕获了距离其只有38万千米的月亮。而如果有某些因素使得月亮摆脱了地球的束缚,并进入太阳的洛希球的话,它就会和地球一样,直接围绕绕太阳转动了。
有些人脑洞大开:宇宙飞船有洛希球吗?如果有的话宇航员就可以绕它旋转了。我们假设宇宙飞船有100吨,它在距离地球表面300千米的太空中绕地球飞行,计算得出它的洛希球的半径只有1.2米,比它自身尺寸小的多。有些同学会追着问,那人也会有洛希球吗?答案是肯定的,但人的洛希球也比人的自身尺寸小的多,所以你就不要期待会有一个小东西绕着你转了。
但是,如果流浪的小天体跑到大天体的洛希球内,小天体就会成为大天体的卫星吗?那得看看是什么情况了,如果距离合适且运动状态合理的话,小天体是有可能成为大天体的卫星的。但如果小天体是从远方高速呼啸而来,暂时“借路”穿过的话,大天体是很难挽留的,也许它还会担心这个小天体会不会迎面撞上自己。还有一种情况,那就是小天体如果离大天体太近,它会被大天体的潮汐力撕碎而摧毁,更不可能成为其卫星。这是为什么呢?这里得提到一个词——洛希极限。
和洛希球一样,洛希极限同样是以法国著名的天文学家爱德华·洛希的名字命名的。爱德华·洛希于1820年生于法国,卒于1883年。除了洛希球、洛希极限外,洛希还提出了洛希瓣、洛希模型等理论,对人类天文学的发展做出了非常重大的贡献。
那什么是洛希极限呢?洛希极限指的是两个天体之间安全距离的极限值,它通常是大的天体半径的2.44倍。如果两个天体之间的距离小于洛希极限,由于潮汐力的作用,小质量天体就会被大质量天体撕裂。
根据万有引力,两个物体的距离越小,它们之间的引力越大。而天体是立体的,由于距离和角度的不同,每个部位受到的引力是不一样大的。当两个天体的距离小于洛希极限的时候,小质量的天体各部位承受的引力差就会变得很大,最终整个小天体会被大天体撕裂成碎片。土星被誉为太阳系最漂亮的行星,有一层十分漂亮的光环在环绕着它,颇具神秘色彩。但其实这个光环就是由土星的潮汐力撕碎的小天体的碎片形成的,里面大概含有数十亿块小块的冰块和岩石。无法想象土星总共撕裂了多少个小天体,可见潮汐力是多么恐怖。
经过计算,地月之间的洛希极限是1.55万千米。如果月球与地球最近距离是1万千米时,它首尾之间的引力大小相差达80%,它就会被地球撕碎并且成为地球的光环了。这对人类也是灾难性的,因为引力具有双向性。如果地月过近,地球也会受到极强的潮汐力,虽不至于撕裂,但会导致地震、海啸等超强自然灾难的发生。