火星的星环去那了？

　　2016年6月，比利时皇家天文台（Royal Observatory of Belgium）的Rosenblatt等人在《自然·地学》（Nature Geoscience）发表了一篇论文，他们用数值模拟给出了撞击后形成卫星的过程。

　　根据这个新的数值模拟，在火星形成后1亿年到8亿年之间，一个大小为火星三分之一的行星撞击了火星。

图4。 原行星撞击火星的艺术想象图。（来源：Université Paris Diderot / Labex UnivEarthS）

　　大撞击发生后，产生的一部分碎片被反弹到空中，形成环绕火星的环，其物质分布很广，直到火星赤道上空很远的范围内。

　　根据环中物质与火星的距离，新形成的环分为内环、外环两大部分，内环更靠近火星，外环离火星相对远一些。内环物质的密度比较大，很快形成一个大的卫星，其质量是今天的火卫一质量的1000倍大；在这个新形成的大卫星的引力作用下，外环区域内的物质逐渐凝聚为大约十个小卫星。

　　几百万年后，内环形成的大卫星落向火星，外环中形成的大部分小卫星也落向火星，只剩下两颗小卫星，这两个幸存者就是火卫一与火卫二。由于火卫一与火卫二是在低密度的外环中形成的，所以它们的密度比火星密度低。

图5。 撞击（上左）、形成环（上右）、形成大小卫星（中左与中右）、大卫星靠近火星（下左）、最后留下两个小卫星（下右）（来源：A。 Trinh - Royal Observatory of Belgium）

　　在 Rosenblatt 等人的模型中，火卫一与火卫二在形成后就基本不再变化，保持至今。

　　“环-卫星-环”的循环转变过程

　　在Rosenblatt 等人的论文发表后不久，普渡大学西拉法叶分校（Purdue University，West Lafayette）物理与天文系的Hesselbrock与地球、大气、行星科学系的Minton 进行了新的数值模拟，论文于2017年3月20日发表于《自然·地学》。

　　Hesselbrock与Minton的新模拟表明，大撞击之后形成的并不是持续存在到现在的火卫一，而是火卫一的远祖（“前身”），这个“火卫一的远祖”在此后在环状态与卫星状态之间多次循环转变，直到变为现在的火卫一。

　　在这个新模型中，大撞击后被抛向空中的物质环形成火卫一的前身，然后火卫一的前身慢慢靠近火星，但距离太近会造成灾难性的后果：天体周围有个距离极限叫做洛希极限（Roche limit），如果两个天体的距离过小，以至于其中一个天体处于这个洛希极限内，那个天体就会被另一个天体撕碎，成为另一个天体的环。

　　根据Hesselbrock与Minton的模拟，几十亿年前，撞击后形成的物质环中产生了火卫一的前身，随后，火卫一的前身首次进入洛希极限内，被撕裂为分布很广的环。环中大约百分之八十的碎片处于洛希极限内，这些碎片如雨点般掉落到地面，形成陨石雨，堆积在赤道附近；剩下的大约百分之二十的环物质在洛希极限外，慢慢堆积成新的卫星。因此，新的卫星的质量只有前身质量的五分之一。

　　此后，新的卫星再次进入洛希极限、并再次被撕碎为环，然后位于洛希极限内的大多数物质又成为陨石雨，落到火星表面。剩下的位于洛希极限外的那部分碎片又凝聚形成新的卫星。

　　Hesselbrock与Minton的新模拟表明，这个“环-卫星-环……”的循环过程在过去43亿年出现了三到七次，每次都有大量环物质落到火星赤道附近，接着形成的卫星都比之前小得多。经过这么多次的“环-卫星-环……”循环转变之后，才形成现在看到的火卫一，它比他的“远祖”可小得多了。

　　火卫一的轨道半径变化到一定大小时，就会与火卫二轨道发生共振，这种共振会改变火卫二轨道，但基本上不会对火卫一轨道产生影响。