卫星

卫星（英文名：satellite），指围绕行星、矮行星和小行星(或其他小天体)的轨道上运行的天体。为与人造卫星相区别，也称天然卫星。其环绕哪一颗行星运转，就把它叫做哪一颗行星的卫星。比如，月亮环绕着旋转，它就是地球的卫星。已知的太阳系内有六个行星卫星系统。截至2023年，其中已知的行星卫星有285个；矮行星已知的天然卫星有8个；已发现的小行星的卫星已超过450颗；以及临时卫星如2006 RH120、2020 CD3等。

“卫星”一词源于拉丁语“satellitēs”，词义为“服务员”，该词与“satelles”组合在一起，意思是“保镖”或“伴侣”。“卫星”一词最初是由意大利天文学家伽利略引入天文学术语中的。1610年，伽利略用望远镜观察到围绕木星运行的四颗卫星后，就用“卫星”一词描述了这些新发现的天体，认为它们应该是作为木星这颗气态巨行星的常伴角色。

与行星一样，太阳系统中卫星的名称也大多取自希腊和罗马神话。行星系统中木星的卫星大多以宙斯的恋人以及后裔命名，如木星一号（伊奥，Io）就是以宙斯恋人之一名字命名；木星36号（羽衣甘蓝）是以宙斯女儿的名字命名。火星的卫星是以希腊神话《伊利亚特》中的马命名的。土星的卫星是以泰坦以及其后裔、罗马创始之神和巨人的名字命名的，如土星一号就是以在泰坦与奥林匹亚众神之间的战争中被赫菲斯托斯（或阿瑞斯）击倒的巨人命名；土星七号（亥伯龙）是由以其中一个泰坦的名字命名的。天王星的卫星是以莎士比亚戏剧和教皇的《强夺锁》中的人物命名。海王星的规则卫星以与波塞冬或海洋相关的人物命名；不规则卫星以海神涅柔斯和多丽丝的女儿以及海王星的侍从命名。“月亮”一词可以追溯到“mōna” 一词，指月亮是被用来测量月份的。

矮行星中冥王星的卫星是以冥界神的名字命名。谷神星的卫星是以罗马的玉米和丰收女神命名的。妊神星的卫星的名字来源于夏威夷神话。小行星中艾达的卫星是以希腊神话中的精灵命名的。西尔维娅的卫星的名字来自希腊神话。

月球，地球唯一的天然卫星，是人类有史以来就认识了的。关于其他行星的卫星的发现最早可追溯到1610年，意大利天文学家伽利略用他研制的世界第一架天文望远镜观测到了木星的卫星。1619年，开普勒在《宇宙和谐论》一书中推测火星有两个卫星。到1700年为止，共发现了木星的4个卫星和土星的5个卫星。

18世纪，发现了4个卫星，其中土星和天王星各2个。1877年，美国人霍耳发现了两颗火星卫星。19世纪共发现了8个卫星，连同前两个世纪中发现的，300来年总共发现了21个卫星。到1977年为止，包括月球在内，共发现32个卫星。到1980年，发现卫星的的数量增加到44个。其中地球有1个卫星，火星有2个，木星有16个，土星有17个，天王星有5个，海王星有2个，冥王星有1个。1982年2月，美国国家航空和航天局宣布，从1981年8月“旅行者2号”探测器所拍摄的照片上，又发现了6个新的土星卫星。随后，“旅行者2号”于1986年1月飞掠天王星时又拍摄到的10个天王星新卫星。

1978年，JW·克里斯蒂在弗拉格斯塔夫发现了冥王星的第一颗卫星。随后冥王星二号、三号和妊神星一号、二号以及阋神星一号被发现于2005年。冥王星4号被发现于2011年，五号被发现于2012年。

每50颗小行星中大约就有1颗可能拥有自己的卫星。当伽利略号在1993年飞过第二颗小行星艾达时，就发现了艾达的卫星。2005年发现位于小行星西尔维娅赤道面上的两颗卫星。随后，通过先进的望远镜技术，如可以补偿地球大气闪烁的自适应光学望远镜，人们又发现了更多小行星的卫星。

有关太阳系起源的好些个学说都认为，卫星的形成是行星形成的小规模重复。太阳和行星是由盘状旋转的气体和尘埃云形成的，被称​​为原太阳星云。当星云中的温度充分冷却时，小颗粒开始凝结。原太阳星云成分的凝固温度差异是卫星成分主要差异的原因。由于存在与星云中心距离有关的温度梯度，因此只有那些具有高熔化温度的材料（例如硅酸盐、铁、铝、钛和钙）才会在星云的中心（较热）部分凝固。原太阳星云中的小颗粒物质凝结后，静电力使它们粘在一起。这些较大聚集体之间的碰撞导致米粒大小的颗粒或星子被吸积。最后，发生引力塌缩，形成更大的千米大小的星子。

规则卫星很可能是在行星形成的末期才出现的。在那时，流入的气流变小，环行星盘也达到最稀薄，潮汐作用已经弱到无法使卫星撞上行星。太阳系早期存在的大部分放射性同位素已经衰变完毕，比如，木卫四内部的放射性加热也已经到了最低水平。早期形成的卫星有可能已经掉进它们的行星里。木星、土星和天王星的卫星系统的质量各自都相当于它们本身的0.01%，因此，卫星形成时应该存在一个自我控制过程。可能的情况是，当卫星发展到更大时，它们就会落入行星，同时卫星的生长再次开始。

不规则卫星异常的轨道意味着，它们有着不同于规则卫星的形成过程。几乎可以肯定的一点是，它们刚形成时是绕太阳运行的，只是在近距离掠过一颗巨行星时被它们现在的主星捕获。在被捕获之前，卫星需要减慢运动速度并失去部分能量。它们可能是在掠过某颗巨行星的稀薄外层大气时，受到气体的阻力而导致速度减慢，也可能是与某颗已有卫星相撞而造成的。但还有一个可能，那就是不规则行星是在行星轨道快速重组时被捕获的。

但捕获并不是结束。许多不规则卫星以群体的形式出现，且有着相似的轨道。它们也许是几颗大型卫星猛烈相撞后遗留下的残骸。最新的计算结果表明，不规则卫星经历过的相撞碎裂事件要比太阳系的其他种类天体更多。也许在太阳系诞生初期，曾经存在过数量庞大得多的不规则卫星。

根据天体绕太阳运动轨道的分布，太阳系可非正式的分为内太阳系和外太阳系。其中内太阳系中包括地球、火星和主小行星带的卫星（金星和水星没有卫星）。外太阳系包括木星、土星、天王星、海王星、矮行星以及小行星的卫星。

卫星按它所围绕的行星类型可分为行星的卫星、矮行星的卫星以及小行星的卫星。

截至到2023年，在已发现的矮行星中，冥王星有5颗卫星，阋神星有1颗卫星，妊神星有2颗卫星。

截至2023年已发现的小行星的卫星已超过450 多个颗。

有些人认为卫星可以有卫星。但由于太阳系中的大多数卫星都没有长期稳定的轨道。虽然任何低于其轨道周期的都可被锁定，辅助卫星可能存在于主卫星的希尔球内，在希尔球之外，但是由于主卫星绕轨道运行的行星（或其他物体）的引力较大，辅助卫星会丢失。

行星临时捕获的宇宙中的小天体被称为临时卫星，即被捕获的小天体并不是永久性的。在被行星捕获前，他们是绕日运行的小行星或者宇宙尘埃。如147P/栉田村松彗星在20世纪中叶被捕获为木星的临时卫星，并被困在不规则轨道上约12年；2006 年，卡塔利娜巡天计划的天文学家发现了另一颗被地球捕获的临时卫星，命名为2006 RH120；2020年2月15日，天文学家泰迪·普鲁恩（Teddy Pruyne）和卡佩尔·维尔兹乔斯（Kacper Wierzchos）发现了地球的另一颗临时卫星2020 CD3。

太阳系中最大的天然卫星（直径超过3000公里）是地球的卫星（月球）、木星的伽利略卫星（木卫一、木卫二、木卫三和木卫四）、土星的卫星泰坦和海王星的卫星海卫一。除了各个行星的卫星之外，还有多个已知的矮行星、小行星和其他太阳系小天体的卫星。一些研究估计，多达15%的海王星外天体可能拥有卫星。关于卫星的形状，由于自转和潮汐锁定使多数卫星在流体静力平衡时呈三轴的椭球形状。

太阳系卫星直径比较如下：

太阳与行星与大卫星的比较

大卫星中木卫一可能有铁和硫化铁核、酸盐幔、很薄的岩石壳，其水冰可能早已蒸发和逃逸，现在表面主要是火山沉积物。木卫二可能有直径为1250 km的金属核，其上面是岩石幔，外部100~150km是冰壳，冰下面可能是液态水的海洋。木卫三和木卫四含有较多的水冰（甚至占质量的60%以上）但它们表面情况、内部结构和演化程度不同。木卫三的演化程度较大，表面较年轻，外层为冰壳，壳下是冰的上幔，而下幔为硅酸盐，中央是铁核。木卫四的演化程度较小，表面古老，外部为富冰壳，而内部可能是岩冰。

土星、天王星、海王星的大卫星可能都有岩石核、冰的幔和壳（主要是水冰）。土卫六有岩石核、水冰（也溶有甲烷和氨）的幔和冰壳。天王星的五颗大卫星（天卫一、二、三、四、五）的密度都与土星的冰卫星差不多，它们主要是由冰及岩石（至少占一半）组成的，内部结构也相似，除了天卫五很不确定外，其余四颗卫星都有岩石核、冰（主要是水冰）幔及壳，只是核的大小不同，幔-壳界线不够确定。海卫一的内部结构可能也与土星的冰卫星相似，即有固态岩石核、冰（水冰以及氨和甲烷冰）的“岩浆”幔和水冰壳。火星的卫星可能是岩石的，而外行星的其他卫星可能主要是冰体的。

矮行星卫星：冥卫一光谱没有固态甲烷、氮或一氧化碳迹象，而有水冰和氨的水合物，说明其表面存在活跃的冰喷泉和冰火山。其表面有亮的赤道带和暗的极区，陨击坑很少，说明在地质上是年轻和活动的。 其北极区由很大较暗区主宰，有利的解释是由 从冥王星逃出的气体（氮、一氧化碳、氨）凝聚成冰而形成。这些冰受太阳辐射，化学反应而形成各种微红的“索林”。后来又受太阳加热而出现季节变化，使得挥发物升华而逃逸，留下索林。历经百万年，残留的索林积为覆盖冰壳的厚层。其表面的峡谷最深达9.7km, 悬崖和谷延续9709.7 km。

• 公转

卫星主要受其主行星的引力作用而绕主行星转动，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。但是卫星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。综合考察和分析卫星的轨道，可以大致划分出规则卫星和不规则卫星。

规则卫星有类似于行星的轨道特征，即它们的轨道倾角和偏心率小，也有共面性、近圆性、同向性以及轨道半径长径有类似的提丢斯—波得定则（

）。不规则卫星或者轨道倾角

大，以

的逆向（与行星自转方向相反）绕行星转动，或者偏心率大。有些不规则卫星的轨道相似甚至共轨。

• 自转

多数卫星的自转周期与它们绕行星轨道运动的周期相同。卫星的自转轴大致垂直于其轨道面，因此，在卫星绕行星的轨道运动中，卫星几乎总是同一个半球朝向行星，称为同步自转。最显著的例子是月球。少数卫星不是同步自转，如木卫六合土卫九的自转周期为0.4天，木卫七的自转周期为0.5天。

潮汐锁定是指太空中的一个天体围绕另一个天体运行，使得该天体的自转周期和公转周期相等。太阳系中大多数常规天然卫星都被潮汐锁定在其主卫星上，如月球被地球潮汐锁定，所以月球一直是同一面朝向地球。但是土星的卫星海伯利安是例外，它由于各种外部影响而使其不是同一面朝向土星。

由于气态巨行星的外卫星（不规则卫星）距离太远，所以无法被“锁定”。例如，木星的卫星“希马利亚”、土星的卫星“菲比”和海王星的海卫二，其自转周期在十个小时左右，而它们的轨道周期则为数百天。

1959年1月2日，苏联发射了月球1号探测器，月球1号探测器的顺利升空，成为历史上第一个摆脱地心引力的飞行器；同年9月12日，苏联发射月球2号并成功撞击月球的表面，该探测器是首个与月球接触的人造物体。10月4日，月球3号飞到月球背面，并拍摄了月球的第一张“背面照。

1979年，旅行者1号和旅行者2号太空探测器勘测了包括木卫四、木卫三、木卫二以及木卫一。两个探测器内部都装有科学成像系统、紫外光谱仪、红外干涉光谱仪、光偏振计、三轴磁通门磁力计、等离子体光谱仪、低能带电粒子实验仪器、等离子体波实验仪器、宇宙射线望远镜以及科学射电系统。

1981年，旅行者2号又探测了土星系统的卫星。1985年，其又发现了 天王星10颗卫星，并传回了相关图像。1989年，发现了海王星六颗卫星，并拍摄了土卫一三分之二的画面。

旅行者2号

伽利略号航天器内部装有固态成像相机、近红外测绘光谱仪、紫外光谱仪、旋光辐射计、磁力计、高能粒子探测器、等离子体调查、等离子体波子系统、尘埃探测器、重离子计数器。其多次飞越木卫一、木卫四、木卫三、欧罗巴、阿玛尔忒亚，并发现木卫二、木卫三和木卫四拥有液态盐水层，以及木卫二内部下存在液态海洋。伽利略号1993年探测小行星时发现了小行星艾达以及其卫星艾卫。

伽利略号

新视野航天器质量其携带有Ralph-可见光和红外成像仪/光谱仪、Alice-紫外成像光谱仪、无线电科学实验仪器、远程侦察成像仪、太阳风和等离子体光谱仪、冥王星高能粒子光谱仪、灰尘计数器。2010年2月25日，新视野号经过了冥王星的中点。在任务期间其发现的冥王星新卫星科波若斯和斯提克斯。2015年7月14日，新视野号航天器再次飞越了冥王星及其卫星，除了收集了冥卫一的数据，还观测了冥王星的其他卫星，并证实了卫星卡戎的直径约为1208km。

新视野号

露西号航天器从尖端到尖端超过52英尺（16 米），但其中大部分是巨大的太阳能电池板。是一艘带太阳翼的探测器。其2023年11月在探测已发现的小行星时，发现了小行星丁基的卫星塞拉姆。

带有尺寸标签的露西航天器示意图

人造地球卫星指环绕地球飞行并在空间轨道运行一圈以上的无人航天器，简称人造卫星。科学家用火箭把它发射到预定的轨道，使它环绕着地球或其他行星运转，以便进行探测或科学研究。人造卫星的运动服从开普勒行星运动定律，其轨道一般是以地球为焦点的椭圆，特殊情况下是以地球为圆心的圆。它们离地面的高度根据用途来确定，从几百千米到几万千米不等，但是一般不低于200千米。

人造卫星是发射数量最多，用途最广，发展最快的航天器。1957年10月4日苏联发射了世界上第一颗人造卫星。之后，美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。中国于1970年4月24日发射了“东方红”1号人造卫星，截止1992年底中国共成功发射33颗不同类型的人造卫星。

人造卫星常见的功能有：

• 通信功能

人造卫星利用它距地球的高远位置优势，不受高山和海洋等地形约束，通过无线电波把世界各个角落都联系在一起。通常意义上，如果在距地面35786千米高的赤道上空等距部署3颗地球同步卫星，其发射的电波就可覆盖全球（不含两极）。通信类卫星就像是设在太空中的无线电中转站。

卫星的通信功能

• 遥感功能

人造卫星利用遥感设备对地球进行观察和探测，形成一类遥感卫星。气象卫星便是遥感卫星的一种。

遥感卫星

• 空间科学探测实验功能

人造卫星处在高位置、高真空、微重力和强辐射环境，为科学探测和科学实验创造了特有的条件。由于太空没有重力，又没有大气干扰，人造卫星上的太空望远镜灵敏度大大提高，能更准确地观测到星体的几何形状和位置，更有利于研究它们的演化过程。

用于科学探测的太空望远镜

• 军事应用功能

人造卫星利用其通信和遥感功能，可以富有成效地应用于军事通信、侦察、导航、气象、测地、海洋监视和导弹预警，还可直接作为反卫星和反导弹工具。

卫星的军事功能

2022年1月，英国《自然·天文学》杂志发表的一篇论文描述了一个新的候选系外卫星——Kepler-1708 b-i。在此之前，也曾发现过其他的候选系外卫星。根据这些，美国哥伦比亚大学科学家戴维·基平及其同事，分析了开普勒太空望远镜通过凌星法发现的系外行星，以寻找系外卫星存在的痕迹。他们主要分析了70个温度很低（低于300开尔文，大约相当于27°C），并且以大于地日距离的距离围绕各自的母恒星旋转的气态巨行星。

经过严格筛选，戴维·基平团队只在一颗和木星差不多大的系外行星Kepler-1708b周围发现了一个信号。对这个信号的的最好解释是Kepler-1708b周围可能有一颗系外卫星Kepler-1708b-i，但是其伪信号的概率仅有1%。因此，这个系外卫星的身份还有待确认。

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