前几天我们一直在谈土星和它的星环。卡西尼号也曾经对其进行了穿越。但我们都知道火星没有环。其它行星也没有环。那为什么这些行星没有环呢？科学家告诉我们其实火星有环，只是后来消失了。下图就是火星星环的模拟图片。
题图：火星环的艺术想象图（来源：Tushar Mittal）
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。
在这个新模型中，大撞击后被抛向空中的物质环
