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地球，是人類已知宇宙中唯一存在生命的天體(ti) ，而月球是地球唯一的天然衛星。

根據天文學家觀測的結果，地球現有一顆天然衛星，火星有兩(liang) 顆，水星和金星則沒有，而太陽係的一些其他巨行星，比如木星和土星，天然衛星的數量卻高達幾十顆。

腦洞一下：地球最多可以擁有幾個(ge) “月亮”？

或者說，像地球這樣的行星，最多可以擁有幾顆“月亮”般大小的天然衛星呢？

針對以上問題，一項由 3 名物理學家共同完成的新研究給出了答案：3-7 顆。

而具體(ti) 數量，取決(jue) 於(yu) 天然衛星的質量。

圖｜三顆“月亮”質量的衛星圍繞地球運行的示意圖。行星和衛星的大小是按比例計算的，衛星被限製在穩定邊界之間。

相關(guan) 研究論文以“Moon-packing around an Earth-mass planet”為(wei) 題，已發表在預印本網站 arXiv 上。德克薩斯大學阿靈頓分校（UTA）兼職助理教授 Suman Satyal 為(wei) 論文的第一作者。

Satyal 說：“太陽係的大多數行星都有多個(ge) 衛星。”“值得注意的是，像木星和土星這樣的巨型行星擁有大約 80 顆衛星。但在岩質行星中，火星有兩(liang) 個(ge) 衛星，地球有一個(ge) 衛星。這些差異可能與(yu) 不同的形成機製和軌道演化過程有關(guan) 。”

在此次工作中，研究團隊使用了一係列 N 體(ti) （N-body）模擬（近似於(yu) 粒子運動），來試圖量化地球或與(yu) 地球質量相當的係外行星在其軌道上可以承載多少顆衛星。

研究團隊將多顆衛星的 N 體(ti) 模擬設置在軌道體(ti) 的內(nei) 部（洛希半徑，Roche radius）和外部（希爾半徑，Hill radius）穩定極限之間。

從(cong) 理論上講，如果一顆衛星在洛希半徑內(nei) 運行，它就會(hui) 被宿主行星的潮汐力分解；如果它在希爾半徑外運行，它就會(hui) 逃脫宿主行星的重力場。

Satyal 說：“然而，數值研究表明，實際的穩定性極限在洛希的兩(liang) 倍以內(nei) ，約為(wei) 希爾半徑的一半。”“因此，我們(men) 開始在這些減少的邊界限製之間模擬多個(ge) 衛星（最多 9 個(ge) ），並檢查其中有多少能‘存活’到模擬時間結束。”

圖｜Suman Satyal、Marialis Rosario-Franco 和 Billy Quarles。

研究團隊使用與(yu) 穀神星、冥王星和月亮質量相同的衛星作為(wei) 原型質量來計算軌道穩定性約束。他們(men) 發現，有 3 顆月亮質量的衛星，4 顆冥王星質量的衛星，以及 7 顆穀神星質量的衛星可以圍繞一顆地球質量的係外行星運行。

“我們(men) 的模型忽略了太陽係內(nei) 所有其他行星的引力效應。”“當放眼太陽係之外時，這一點很重要，因為(wei) 有很多係統隻有一顆候選行星。目前有兩(liang) 個(ge) 候選係外衛星（exomoon），但它們(men) 都以一個(ge) 天文單位（約 1.5 億(yi) 公裏或 9300 萬(wan) 英裏）的距離圍繞類木星行星運行。” Billy Quarles 是論文的作者之一，現為(wei) 瓦爾多斯塔州立大學（Valdosta State University）天文學和物理學助理教授。

盡管大約有 5000 顆已知的係外行星有可能承載著數十顆係外衛星，但迄今為(wei) 止還沒有發現過被證實的係外衛星。Satyal 認為(wei) ，這種不被發現的觀測還有其他的約束和限製。

Satyal 認為(wei) ，他們(men) 的研究成果對未來的宇宙觀測具有重要意義(yi) ，“因為(wei) 它限製了類地衛星在各自宜居帶的存在。”

同時，隨著望遠鏡靈敏度的提高，比如最近發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），我們(men) 也許能夠應用淩日法（測量星光的深度）來探測係外衛星。由於(yu) 像地球這樣的岩質行星有可能擁有一個(ge) 以上的衛星，這就增加了它們(men) 被發現的可能性。

另外，隨著在類地行星周圍尋找係外衛星的研究繼續進行，這一研究或為(wei) 科學家們(men) 預測某一行星擁有多少顆衛星提供上限。

此外，這一研究可能對科幻電影和其他媒體(ti) 中對係外衛星的描述具有文化意義(yi) 。

“當我們(men) 進行調查時，我看了《星門》（Stargate），注意到研究小組前往的銀河係外行星有三個(ge) 衛星。”“許多電影都闡述了係外衛星的可能性，比如《阿凡達》（Avatar）中的潘多拉，《星球大戰》（Star Wars）中的森林衛星恩多。我們(men) 的研究可以幫助未來的工作在天文學上顯得更加準確。” Quarles 說。

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