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被骗了多少年?木星压根没有绕太阳转动!

2021-09-21  火星科普

在太阳系中,太阳无疑是中心天体,它通过氢核聚变产生的能量照亮了太阳系,而且它的强大引力束缚住着太阳系中的各大天体,包括地球在内的八大行星、矮行星、小行星、彗星等天体都在绕着太阳公转。

尽管如此,作为太阳系中已知质量最大的行星(317.8倍地球质量),木星并不是绕着太阳公转。事实上,所有行星的运动并不是绕着太阳公转这么简单,而且太阳也不是相对于其他行星固定不动,太阳系的天体运动其实非常复杂。

太阳的中心地位来自于它那巨大的质量——相当于地球质量的33.3万倍。太阳系中的天体数量非常多,仅在内太阳系中(木星轨道以内的范围),就有1.5亿颗直径超过100米的小行星。然而,除了太阳之外,所有太阳系天体加起来的总质量仅为整个太阳系总质量的0.14%。

拥有多达99.86%太阳系总质量的太阳,可以产生十分强大的引力,最远可以主宰1光年外的天体运动。不过,太阳并非等同于太阳系的真正中心。至于原因,可以通过太阳-木星的双星简化模型来进行解释。

牛顿的万有引力定律告诉我们,太阳对木星施加引力的同时,木星也会对太阳施加相同大小的引力。在万有引力的作用下,太阳和木星有相互吸引并靠近彼此的趋势。

但太阳和木星并没有因为引力作用而发生碰撞,这是因为这两个天体都在做圆周运动,引力刚好充当了向心力。的确如此,木星在做圆周运动,太阳其实也在做圆周运动,它们的绕行中心都不是各自本身,而是它们的共同质量中心或者引力中心。

假设太阳质量为M,木星的质量为m,日木距离为r,太阳到共同质心的距离为x,角速度为ω(两个天体的ω相等),根据牛顿力学可以得到如下的关系式:

化简后可以得到如下的结果:

代入具体数值可得x=74.23万公里。由于太阳在自转,导致太阳是一个扁球体,所以太阳的赤道半径在所有半径中最大,为69.63万公里。由此可见,日木的共同质心不在太阳内部,而是位于距离太阳表面46000公里(相当于地球直径的3.6倍)之外。

无论是太阳,还是木星,它们都会环绕这个共同质心转动。只是太阳的公转轨道半径很短,很快就能绕行一周。而木星的轨道半径很大,绕行一圈需要长达11.86年。这两个天体的运动方式如下图所示:

如果考虑到整个太阳系的天体,实际情况要更加复杂得多。随着各个天体的运动,太阳系的质量分布将会随之发生变化,所以整个太阳系的共同质心不是固定在太阳中心,而是在不断发生变化。

如果太阳系的质量均匀分布,共同质心将会位于太阳内部,甚至位于太阳中心,比如1990年的太阳系共同质心位于太阳核心区域附近。如果太阳系的质量分布不均,共同质心将会位于太阳外部,比如1981年的太阳系共同质心在太阳表面之外。

只是由于太阳的质量太大了,即便共同质心不在太阳之内,也会在太阳表面附近,所以很多时候我们都进行简化处理,把太阳的相对位置视为不变,其他天体在绕着太阳公转。

在现实中,太阳确实会沿着半径方向进行摆动,幅度有大有小。如果宇宙中有先进的外星文明,他们通过观测太阳的径向摆动,可以间接发现太阳系各大行星的存在。事实上,天文学家正是通过这样的方法,已经找到了很多遥远的系外行星,其中一些甚至有可能存在生命。

只不过以当前我们的宇航技术,亲自造访这些遥远的外星世界是不可能的。目前比较值得期待的是在本世纪中后叶,发射光速10%的星际飞船,用大约50年的时间飞抵4.2光年外的三合星系统——南门二。到了那里后,星际飞船把探测数据用光速传回地球,我们还要再等4年多的时间才能接收到。

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