洛希极限(Roche limit),也被称为洛希半径(Roche radius),行星与其卫星间的最小可能距离。小于这一距离时,行星对卫星的潮汐作用将造成卫星解体。也常用于双星系统。这个临界半径值是法国数学家爱德华·洛希(Edouard Roche)于1848年求出的,所以称为洛希极限。

天文学上,洛希极限用来解释行星环的形成,也用来对太阳系天体相互作用和运动作近似估计。洛希极限是一个天体与一个天体之间的距离,在该距离内,第二个天体仅靠自身引力而解体,因为第一个天体的潮汐力超过了第二个天体的自身引力。在洛希极限内的物质受行星潮汐作用大,虽然星环中的颗粒会发生碰撞,但潮汐力仍然强于自身的引力,所以不能聚集成卫星,而形成环系。而在极限外,物质倾向于合并,细小的颗粒会受彼此的引力影响粘在一起,不断成长。行星环的形成与洛希极限密切相关,正因如此,往往是质量较大的行星才拥有稳定的行星环。
洛希极限也常用于行星和环绕它的卫星。有些天然或人工卫星,尽管它们在它们所环绕的星体的洛希极限内,却不至于成为碎片,因为它们除了引力外,还受其他力的影响。木卫十六和土卫十八就是这样的例子,它们和所环绕的星体的距离小于流体洛希极限,它们仍未成为碎片是因为有弹性,加上它们并非完全流体。在这种情况下,由于潮汐力在两个天体中心之间的直线上最强,因此卫星表面的物体能否被潮汐力扯离卫星,要视物体在卫星表面的位置而定。洛希极限决定于主星和伴星的相对质量和密度。如果主、伴星密度相同,则洛希极限值为主星半径的2.44倍;月球的洛希极限值为地球半径的2.89倍,约18,400千米。人造卫星太小,无法产生巨大的潮汐应力。
一些内部引力较弱的物体,例如彗星,可能在经过洛希极限内时化成碎片。苏梅克-列维9号彗星就是典型的例子,它在1992年经过木星时解体为21个碎片,1994年7月16日20时15分开始与木星碰撞。彗木大撞击是人类有史以来能够看到最为壮观的彗星、行星相撞事件,是彗星落入木星洛希极限被撕碎的实例。
2023年,首次发现创神星有行星环。其行星环的距离超过创神星半径的7.5倍,是洛希极限的两倍多距离。其形成原因尚未清楚。先前天文学家观测到的行星环全部位于洛希极限范围内。创神星的行星环出现的位置是迄今发现的唯一例外。
洛希极限是法国数学家爱德华·洛希(Edouard Roche)于1848年求出的,并以他的名字命名。
1963年Chondrasekhar利用维里定理及其推广求得了均匀不可压液球的洛希极限。这一方法有它的局限性,因为只有对均匀不可压液球才能利用推广的维里定理求得在自转与潮汐力联合作用下的平衡形状,它不可能推广到非均匀液球的情形。
Kopal与宋国玄曾用洛希坐标的方法求得自转与潮汐力联合作用下均匀不可压液球的平衡形状,进而求得了洛希极限。这一方法与Chandrasekhar方法有同样的局限性。
研究人员在知名学术期刊《自然》8日刊载的论文中介绍,创神星位于太阳系边缘柯伊伯带,于2002年首次被美国天文学家发现,以美洲土著居民神话中的创世之神命名。它的直径大约1110千米,大小约相当于月球三分之一,与太阳之间距离约为地日距离的44倍。创神星有一颗卫星,直径约170千米,在行星环外运行。
天文学家2018年至2021年借助一系列地面望远镜和Cheops太空望远镜展开天文观测,其间经由观察掩星现象发现了创神星的行星环。掩星指一个天体在另一个天体与观测者之间通过时产生的遮蔽现象。
路透社援引研究论文主要作者、巴西里约热内卢联邦大学天文学家布鲁诺·莫尔加多的话说:“这是在一个不可能的地方发现了一个(行星)环。”那里,依照现有认知,应该出现另一颗卫星。
据英国媒体报道,创神星的行星环由被冰覆盖的颗粒组成,直径约8200千米。它距创神星中心约4100千米,大致是创神星半径的7.5倍,是洛希极限的两倍多。

先前天文学家观测到的行星环全部位于洛希极限范围内。创神星的行星环出现的位置是迄今发现的唯一例外。研究人员惊讶于它如何能在如此遥远的地方依旧保持稳定结构。现阶段一个猜想是环内颗粒“黏性较低”,因此碰撞时更可能反弹,而非聚集。
关于洛希极限难以解释这个行星环的存在,路透社援引意大利国家天体物理学研究所天文学家伊莎贝拉·帕加诺的话报道,一种可能是,创神星可能曾经另有一颗卫星,但它遭到“破坏性撞击”,产生的碎块后来形成了一个行星环,不过这个行星环“存在的时间非常短,能够观察到它的概率非常低”,而科学家们侥幸观察到它。另一种可能是,冰颗粒聚集的理论“需要修正”,冰颗粒可能不会总像人们预期的那样迅速聚集起来、形成大些的天体。
经典的洛希极限涉及到了一些假设,包括:把行星和恒星当作质点;假设行星位于圆形轨道;行星的自转与轨道运动达到同步;忽略了其他天体的作用;忽略了张力和摩擦的作用。
直径在1~10千米以内的物体,其分子间化学结合的作用大于引力作用。但比这更大的物体则无法受化学结合作用力支撑,只能靠引力固定。洛希极限能够破坏靠引力结合的物体,而靠化学结合的物体即使存在于洛希极限之内也不会受其影响。
洛希极限通常也是在圆形轨道的情况下计算的,尽管可以直接修改计算以适用于(例如)物体在抛物线或双曲线轨道上通过主轨道的情况。
由于有黏度、摩擦力、化学键等影响,大部分卫星都不是完全流体或刚体,其洛希极限都在这两个界限之间。如果一个刚体卫星的密度是所环绕的星体密度的两倍以上,例如一个巨大的气体行星跟刚体卫星;对于流体卫星来说,则要约14.2倍以上,洛希极限会在所环绕的星体之内,即是说这个卫星永远都不会因为所环绕的星体的引力而碎裂。
设主星的质量为M,半径为R,密度为ρ;伴星的质量为M’,半径为R’,密度为ρ’,两星中心之间的距离为r,忽略主星的自转,伴星的一个质元为Δm,G为万有引力常数。当质量为Δm的物体刚好将要脱离伴星表面时,则有
F引=F潮,即
整理得,因为,为方便与天体半径比较,则
设主星的质量为M,半径为R,密度为ρ;伴星半径为R’,密度为ρ’,自转角速度为ω,两星中心之间的距离为r。取x轴沿两星中心联线,原点在伴星的中心O’.撕裂伴星的力有二:主星给它的引潮力和它自转引起的惯性离心力;团结伴星的力也有二:伴星自身的引力和化学结合力。比起自引力,化学结合力往往可以忽略,因此只考虑三个力。撕裂总是首先沿x方向进行的,对于伴星的一个质元,三个力沿x的分量为
引潮力

惯性离心力
伴星自身引力
伴星被撕裂的条件是三力之和大于0:
等号对应着临界状态。如果伴星做同步自转,则自转角速度等于公转角速度。按开普勒定律,有
,则,
或都用密度来表示,有,
因此解出临界条件为,
对于地月系统,ρ⊕/ρ月 = 5/3,从而月球被地球引潮力撕碎的临界距离为
。
可见,一旦月球向地球撞来,在它未与地面接触之前,已被引潮力撕得粉碎。不过太阳系中从火星到木星之间有几十万个小行星,其中轨道与地球轨道相交的估计也有1300多个,用上述理论来分析小行星撞击地球的后果,倒是有意义的。此外,彗星撞击地球的可能性更明显。根据地质研究,6500万年前造成全球物种大规模灭绝的原因,很可能是彗星的撞击。

起潮力足够大时,可能使天体瓦解,这就是潮汐稳定性问题。当任何一个绕转体(如卫星)离中心天体(如行星)很近时,绕转体受到的引潮力可以超过体内各部分物质的引力,从而使绕转体瓦解。假定绕转体由两个球状体组成,其半径都是b,质量都是m;该中心天体质量为M,绕转体到中心天体距离为D。如果两球状体被拉开,必须满足两者间引力小于引潮力的条件。因引力和引潮力分别为
所以潮汐不稳定的条件是
设绕转体密度ρ’,中心天体密度ρ,将和
分别代入可得,当中心天体的距离和质量已知时,绕转体的密度只要满足
就会被瓦解;当中心天体和绕转体密度已知时,转绕体到中心天体的距离只要满足
就会被瓦解。
上面的讨论没有考虑绕中心天体的转动,严格的推导结果是,只要绕转体的密度和距离满足

就会被瓦解。式中ρR和DR分别称为洛希密度和洛希极限,是法国数学家洛希(E.A.Roche)首先推导的。
洛希对于流体伴星的撕裂条件,导出一个公式:
这里的rc称为洛希极限。流体的特点是容易形变,在引潮力的作用下伴星不再呈球形,它被拉得很长,呈椭球状,在极限的情形下,偏心率可达0.88,所以式中的系数与固体情况不同。
如果引入扁率的变量c/R,重新解方程。推导过于复杂,此处不展开,得到一个更加精确的结果:
洛希极限最常应用的地方就是卫星和它所环绕的星体。
土星环平均半径r与土星半径R之比r/R=2.31,若土星环中的颗粒物质与土星本身密度相等,则这距离已在洛希极限之内,环中物质应解体,不能形成一整个椭球形卫星。这也算得上是土星环成因的一种解释。除创神星的行星环之外,先前天文学家观测到的行星环全部位于洛希极限范围内。
天文学上曾用洛希极限及引力作用范围等对太阳系天体相互作用和运动作近似估计,与实际近似相符合,并且是进一步推导计算的基础。
对于行星(或是卫星)绕主星体公转由于发射引力波损失动能而出现向主星体接近的速度,如果行星对主星体的洛希极限在主星体的外部,那么行星在由于引力辐射而向主星体接近的速度驱使下到达其洛希极限时就会被主星体的潮汐力所撕裂,引力辐射在此时终结。

一些内部引力较弱的物体,例如彗星,可能在经过洛希极限内时化成碎片。苏梅克-列维9号彗星就是典型的例子,它在1992年经过木星时解体为21个碎片,1994年落在木星上。
洛希极限在理论上它阐明了在一物体起潮力作用下,其附近另一物体是否可以成团的条件。在应用上,它最早用来解释土星环的形成机制。
以木星和地球为例,刚体洛希极限在5万千米左右,而流体洛希极限在10万千米左右,地球介于刚体与流体之间,所以地球被撕碎的极限大约在七八万千米左右,而木星的半径就有7.15万千米,所以地球要被撕碎除非贴到木星上去。假如地球停止公转,将会穿越太阳的洛希极限。
除了水星和金星之外,其余7颗行星都有卫星,每颗卫星有其代号和专有命名(有几颗尚未正式命名);木星、土星、天王星和海王星各有其不同的环系。一般地说,卫星和环系的小物体主要受其主行星的引力作用,绕行星转动,它们相对于主行星的轨道运动类似于行星绕太阳的公转轨道运动,作为近似,可用前面天体力学二体问题的结果和公式。卫星和环系的小物体的绕转实际轨道运动比行星更复杂,这是因为其他行星和卫星的引力摄动作用较大,从而卫星的绕转轨道变化较大。同时,卫星又随主行星绕太阳公转。
相对于太阳的引力而言,行星有一定的引力(作用)范围,在此范围内的物体受行星的引力为主,而受太阳的引力是次要的。若行星的质量为m,轨道半长径为a,太阳质量为M⊙,则行星的引力范围近似是半径x的圆球:
例如,地球的引力范围半径为1.5×106km,卫星都在其主行星的引力范围内。起潮力F,是质量m天体中心和表面上的A(或B)点上单位质量受到质量M天体的引力差:
式中:D是两天体中心的距离;r是天体m的半径。相对于天体m的中心O’而言,A点所受起潮力的方向指向M的中心O,而B点所受起潮力的方向则相反。于是,在天体m的向、背天体M的两侧形成潮汐隆起。天体m表面上的其他点受到的起潮力应当是该点与O’受到M天体的引力矢量差(下图中的C点)。月球对地球上海水的潮汐作用最大,太阳对地球的起潮力次之,而在阴历初一或十五恰太阳和月球起潮力叠加最大,发生大潮。
一般说来,在行星的洛希极限内的卫星会被行星的起潮力瓦解为碎块。因此,行星的洛希极限内一般不存在卫星,而可能存在有小物体组成环系。行星–卫星和环系的实际情况也大致如此。
下表展示了太阳系内天体的卫星所处的轨道与洛希极限之比,可以看出很多卫星处于刚体洛希极限与流体洛希极限之间,而很少有天体位于刚体洛希极限之内。根据Wm. Robert Johnstonlast于2023年6月17日更新的数据的计算得到:
施力天体
在广阔的宇宙中,并非所有的行星都拥有行星环。以太阳系为例,就目前的观测结果来说,仅有木星、土星、天王星和海王星4颗行星拥有行星环。

行星环一般指围绕行星旋转的物质构成的环状带,由硅酸盐粒、大块岩石、冰块和冰粒等物质构成。通常来说,行星环往往出现在质量巨大的行星周围。就太阳系来说,木星、土星、天王星和海王星恰恰是太阳系中质量排名前四的4颗行星。
为了解释行星环的形成,天文学家提出了若干种理论,如潮汐理论、凝聚理论、碰撞理论等。
卫星到行星的距离不能近于某个极限,否则就会被行星的巨大引力所瓦解而不复存在,这个最小距离称为洛希极限,由法国天文学家洛希(E.A.Roche)首先提出。洛希极限的数值大小与卫星绕以转动的母行星的半径、母行星的密度以及卫星自身的密度有关。关于行星环形成的潮汐理论认为,在洛希极限之外形成的卫星,因公转轨道缩小,走近行星而到达洛希极限时,会被行星的潮汐力所瓦解,结果便形成了行星环。
行星环形成的另一种理论是凝聚说。这种理论认为,组成行星环的物质是在现有位置附近,通过微粒相互间的凝聚而形成的。一开始这是一种非引力过程,当微粒增大到一定程度后,引力起主导作用,粒子继续长大。由于粒子处于洛希极限之内,行星的潮汐力阻止它们进一步生长为卫星,而保持了原有的盘状结构,成为行星环。根据这种理论,行星环的形成与卫星没有直接的关系。
碰撞理论的基本思想是,在行星环现在所处的位置上,最初曾经有过一个或几个很小的卫星。由于它们的引力太小,一旦遭到流星体的撞击,因撞击产生的碎片就能从这些小卫星的表面逃逸,在一定的条件下不再被产生碎片的母体小卫星重新俘获,但仍然没有摆脱母行星的引力束缚。最终,大量的这类碎片便构成了绕行星转动的环。
4个类木行星的周围都有行星环,而这些环在结构、范围、完整性等方面的特征又不尽相同,不同行星的环很可能有着不同的形成机制。中国天文学家戴文赛认为,土星环是因规则卫星的轨道缩小,并进入洛希极限后瓦解形成的;但天王星环的情况则不同,它是因为大星子撞击天王星,从天王星撞出的大量碎粒物质生成的。
行星环不仅在形成的原因上可能与卫星有着某种联系,环状结构的维持机制同样可能与卫星有关。行星环为什么能长期维持而不会瓦解掉?有人认为一些处于特定位置上的卫星的引力作用,使环物质不致四分五裂,并维持在一个有限的范围内。这类卫星被称为“牧羊卫星”,它们对环物质的作用,犹如牧羊人起着能管好羊群而不使羊群跑散的角色。目前已发现土星有3颗牧羊卫星,而天王星则有2颗。另一方面,环缝的存在也可能与一些卫星的引力影响有关,如土卫一对于卡西尼环缝,以及土卫十八对于恩克环缝,这与小行星带中出现柯克伍德空隙的成因是类似的。
人类有史以来能够看到最为壮观的彗星、行星相撞事件,莫过于1994年7月休梅克-列维9号彗星(SL9)撞击木星事件。SL9是1993年3月间被休梅克夫妇(Eugene Shoemaker和Carolyn Shoemaker)和列维(D. Levy)发现的。据理论上倒推,SL9在1992年7月进入木星洛希极限以内被撕碎。初次发现时它分裂成5块,1993年7月间哈勃空间望远镜已观测到A、B、C、D、…、U、V、W等二十余块碎片。1994年4月P、Q又各分裂为两块,后来P的一块碎片再分裂为两片,也有一些碎片消失了。第一块碎片A撞击木星是在7月16日20时15分被哈勃望远镜观测到的,其它碎片的情况见表7-4.颇为遗憾的是这次彗星与木星碰撞发生在木星的背面,地面上只能观测到碰撞时木星边缘的闪光,或当时未观测到,而事后待木星转过来时辨认出撞击点的痕迹(这一情况未列在表中)。
“洛希极限”一词在2023年春节期间再一次引发大家的热议。电影《流浪地球2》和电视剧《三体》两部作品中出现的一些物理学、天文学概念、术语和相关问题引发了观众极大的兴趣,比如洛希极限、三体问题、引力弹弓、重元素聚变发动机等。
在电影《流浪地球2》中,月球危机是情节发展的关键一环。月球上的行星发动机损坏,月球偏离了轨道向地球而来。电影中说,一旦越过洛希极限,将发生灾难性后果。
人大附中高中物理老师李永乐发现电影《流浪地球》关于洛希极限的计算是错误的,MOSS给出了一个错误的数据:内圈刚体洛希极限是89万千米,外圈流体洛希极限是171万千米。而根据李永乐老师的计算结果分别为5.6万千米和10.9万千米,同时李老师解释说,“可能是影片制作时把关不严,错把太阳-木星的洛希极限值当作了木星-地球的洛希极限值。也许MOSS算错了,他就是想叛逃”。

《流浪地球》系列电影中洛希极限的情节原型,其实来自刘慈欣的另一部科幻小说《三体》。三体文明中遭遇过的最大、最惨烈的灾难被称为飞星不动。飞星不动发生在三体第191次文明,当时三颗飞星突然在天空静止不动,三体世界的人们绝望而又无助的看着自己的行星直接扑向三颗飞星。随即,三颗飞星先后变成了三颗巨大的太阳,从三体行星旁边掠过,对行星产生的潮汐力均超过洛希极限。第一颗太阳撼动了行星最深层的地质结构;第二颗太阳撕开了直通地核的大裂缝;第三颗太阳则直接将行星撕成了两半。
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