洛希极限

1850年，法国数学家、天文学家爱德华.洛希（Edouard Roche）在研究土星环的形成时发现，假设一颗大型卫星接近土星时，过于接近行星引力场的刚性星体将会趋向于解体，在强大的潮汐力作用下最终被扯成碎片。洛希通过一系列的计算得到了小型天体接近大型天体时趋于瓦解的临界距离，而这个距离被称作洛希极限（Roche limit）。事实上，洛希极限有刚体与流体之分，由于流体拥有形变的能力，更容易受到潮汐力的撕扯而被拉长、碎裂。因此，相较于刚体洛希极限来说流体洛希极限距离更远。绝大部分卫星、行星的洛希极限都处在这两者之间，质量偏小、密度偏小的卫星或彗星会更易接近流体洛希极限。

法国天文学家：爱德华.洛希。来源：destepti. ro

要想弄清洛希极限的原理先得从潮汐力说起。我们都知道，任何物体之间都存在万有引力，万有引力的大小与物体之间的距离成反比，因此分布在一颗星体表面的万有引力是不均匀的，离另一星体距离近的一面引力大，距离远的一面引力小。对于地球而言，这两面的万有引力之差便是潮汐力，也叫作差动力，地球上的潮汐现象主要是受月亮和太阳的潮汐力产生的。它是使地球产生分离的力，表现为对地球两侧进行拉扯，假设地球逐渐接近太阳，当达到洛希极限时，太阳对地球的潮汐力会将地球两端拉扯成长条状，最终分崩离析。天文学家据此定义：当一颗星体被另外一颗大型天体作用后产生的潮汐力与它自身凝聚的万有引力相等时，这就说明该星体在另外一颗星体的洛希极限距离上。我们以使用最多的刚体洛希极限为例，假设该行星是一个不会发生形变的刚体，那么当行星与恒星密度相等时，刚体洛希极限等于恒星赤道半径的2.44倍。刚体洛希极限是一颗刚体星体接近另外一颗星体不被潮汐力撕碎的最短距离。

月球，太阳对地球的潮汐力示意图。来源：energyeducation. ca

洛希极限在宇宙中扮演着极为重要的角色，它不仅仅是地球的保护伞，而且它也创造了宇宙中的美丽“装饰物”——行星环。每年都会有数百颗小行星靠近地球，正是由于洛希极限的保护，进入地球大气层的天体一般都不会很大，使地球免受一些大型天体的撞击。在宇宙中，洛希极限撕裂星球的现象是再常见不过的了，太阳系内美丽的行星环就是洛希极限造成的结果，木星、土星、海王星、天王星这些质量特别大的气态巨行星都有4个及以上的行星环，甚至是矮行星冥王星都有13个（特别暗）。那么这些行星光环是如何形成的呢？目前科学家们对其成因有三种推测：其一，小型天体进入大质量行星的洛希极限后，被行星的潮汐力所瓦解，从而形成行星环。其二，位于洛希极限内体积较大的行星星体由于小型天体的持续撞击而产生的碎片，进而形成行星环。其三，太阳系演化初期在行星等类型的天体附近残留下来的某些原始物质，因为在洛希极限内绕行星公转而无法凝聚成卫星，最终成为行星环。为了形成这些行星环，可以想象有多少坚硬硕大的卫星被潮汐力残忍粉碎，美丽的行星环的形成的背后则是数个小天体的瓦解。

洛希极限原理所形成的美丽的土星环（艺术图）。来源：NASA

发生在苏梅克-列维9号彗星（Shoemaker-Levy 9）上的彗木相撞事件，则是人类所观测到有关洛希极限推论最鲜活的例证。1992年这颗彗星经过木星附近时，超过了木星的洛希极限，使得这颗彗星被潮汐力粉碎成了至少21个碎片，形似“太空项链”，之后侥幸逃脱。最终，1994年7月16日，这些碎片再次接近木星，但这次它们就没有那么幸运了：它们排成长蛇状，直接撞向木星，所有碎片在木星大气层中留下了明显的痕迹，释放了相当于广岛原子弹10亿倍的能量。这一历史上罕见的事件，让人类深刻感受到天体超过洛希极限时，潮汐力产生的巨大威力。

1994年彗木相撞事件 来源：NASA

当然，洛希极限推论的成立必须建立在该系统是一个孤立的双体系统上，倘若有外力的介入也会出现小天体进入了洛希极限但仍然没有被撕裂的情况，如木卫十六、土卫十八等。

同时单纯使用洛希极限也能很难解释目前的一些天文现象，比如位于柯伊伯带的创神星，利用洛希极限推论是很难解释它的行星环的成因，它在一个不可能出现行星环的地方出现了，理论上这儿本该存在一颗卫星。不过，小星相信，随着天文学家们的不断深入探索，这些令人困扰的问题终会被解决。