为什么土星有环，火星没有？火星曾经有以后也有

　　行星环： 一些行星周围存在有大量细碎的物质块与颗粒汇集成环的形状，环绕着行星，这就是行星环，它们像无数卫星的天然卫星一样，集体绕着行星运转，并保持环的形状。
　　洛希极限： 当一个天体围绕另一个天体运动时，与后者中心的距离小到足以被后者撕碎时，这个距离就被称为“洛希极限”。18世纪中叶，法国天文学家洛希首先研究了这个问题，因此以洛希来命名这个极限。有些理论认为，当一个卫星进入行星的洛希极限后，就会被撕碎为行星环。
　　太阳系中以环而驰名的星球是土星，木星、天王星与海王星也有环，这四个行星都是太阳系中的气态巨行星。太阳系中另外四个大行星(水星、金星、地球、火星)都是固态行星，它们都没有环。
　　不过，如果有人告诉你火星以前也有环，你可能会大吃一惊;如果有人告诉你火星的环在过去几十亿年多次变为卫星又变为环，现在的卫星——火卫一(Phobos)与火卫二(Deimos)——在将来还会变为环，你会更加惊奇。
　　那么，凭什么说火星以前也有环呢?这个环怎么来的?它是如何与卫星实现互相转变的?故事要先从火星现在的两颗卫星说起。
　　火星的两个卫星
　　火星的两个卫星都很小，且形状不规则。火卫一的平均半径只有11.3千米，质量是月球的1000万分之一。火卫一的轨道半径(精确说，是半长轴)为9376千米，是火星半径的2.76倍。
　　火卫二更小，其与三环内的北京城差不多大。平均半径只有6.2千米，质量仅为火卫一的七分之一。火卫二的轨道半径为23463千米，是火星半径的6.92倍。

　　图1。 火卫一(左)与火卫二(右)的近距离图像(来源： NASA/JPL-Caltech/University of Arizona)。

　　图2。 火卫一、火卫二与火星距离的示意图(图片来源：Magenta Green/CC BY-SA 3.0)
　　尽管火卫一离火星很近，它的轨道半径只有火星半径的大约3倍(相比之下，月球的轨道半径大约是地球半径的60倍)，但因为它实在太小，使得火星上因为火卫一遮挡而导致的日食不可能为全食，而只能是偏食和环食，如图3。由于火卫二更小更远，因此它遮挡太阳导致的日食，其阴影比火卫一遮挡时更是小得多。所以我们要感谢月球的大小如此恰当、与地球的距离又如此恰当，使得我们有机会看到日全食。

　　图3。 好奇号火星车拍摄下的火星日食，遮挡者为火卫一(来源：NASA)
　　火星卫星的起源
　　对火星这两颗卫星的起源，此前人们长期以来争论不休，有人认为这两颗卫星是与火星同时形成的;有人认为它们是火星俘获来的;有人认为是一颗较大的天体撞击火星之后，散落到太空中的残骸逐渐凝聚而成的。但前两个模型都无法解释火星卫星系统的特征，最后一个模型虽然更加合理，但无法给出撞击后形成卫星的细节。
　　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。