太陽系是如何運行的?
這個問題相信現在很多讀者都能夠很清楚地回答了,在我們所遊歷的各大天文博物館或天文館以及相關的科普圖片上,都會看到—— 「太陽系運行儀」。上面有太陽系的大家族,中心是熾熱的太陽,周圍圍繞著金、木、水、火、土、天王、海王和地球,所有的行星排列在上面繞著太陽旋轉,而它們旋轉的焦點就是太陽本身,這幅圖景根深蒂固。然而,「太陽系運行儀」上面的天體運行軌跡是有一點錯誤的,至少對這8大行星當中的一個是不太準確的,這個行星就是——「木星」。
圖解:太陽系恆星系統運行圖
根深蒂固的錯誤
木星有什麼特別的?沒什麼特別的,就是它太大、太重了。
木星與太陽兩顆星體如果單獨拿出來,當它們旋轉的時候很難是一顆圍繞著另一顆旋轉,因為跟牛頓運動定律顯示:兩顆星體的作用力一定是相互關係,當A星向B星施加引力的同時,它一定也受到B星給它的吸引力。所以嚴格地說,A、B兩顆星應該圍繞著它們共同質量的質量中心一起旋轉,無論A、B兩顆星的質量有多麼的懸殊。
圖解:萬有引力公式
在很多情況下,中間的恆星比為之旋轉的小行星的重量和體積要大出許多倍,以至於從數學上來看,這兩顆星體形成的重心幾乎和那個最重的恆星的中心是重合的,相差微乎其微,這個時候就可以近似地認為,外邊的那顆小行星在繞著中央巨大的恆星旋轉,而這個造成的誤差並不算很顯眼。但是,當外面的行星的質量和中央旋轉的恆星相比,相差不是那樣懸殊的時候,此時此刻它們二者的中心就不再和恆星的中心重合了,拉開的距離就顯得不可忽略了,這個情形就適用於木星。
圖解:木星結構示意圖
木星的質量大約是太陽質量的1‰,1000倍已經是很懸殊的了,但是這個差異已經造成了一個驚人的事實,就是——「日木二星系統」的重心已經超出了太陽本身的球體半徑。根據計算表明質量巨大的木星,硬是把木星與太陽這二星系統的總中心拉開到了距離太陽理論中心位置的1.07倍處,也就是說這個二體旋轉中心已經落在了太陽半徑之外7%的遠處,所以它已經不能夠被太陽所包含在內了,這是一個值得注意的事實,這種情況下如果你還堅持認為木星是在圍繞著太陽這個理論中心旋轉的話,差異就稍微大了一些。
圖解:由於木星的質量太大旋轉時會拉動太陽
假如我們可以從「日木二星系統」的正上方向下觀看,可以看到旋轉的截面上面,木星在最外圍旋轉,而太陽似乎在圍繞著一個它半徑之外的小點做微幅的震動,這就是它們兩者共同旋轉的中心。
圖解:木星與太陽軌跡移動圖
根據「日木二星系統」的質量不難推算出,它們二者圍繞這個公共中心旋轉的總周期是11.8年,這就是我們平常所說的木星的公轉周期,其實嚴格的講,這也是太陽圍繞著「日木二星系統」中心體系的公轉周期,每隔11.8年太陽也將圍繞著在自己這個半徑之外7%位置處的小點旋轉一周。
圖解:太陽與木星軌跡運行圖
除了木星會對「日木二星系統」的位置產生差異,其他7顆行星會對「日木二星系統」產生差異嗎?
木星與太陽這個「日木二星系統」旋轉體系,如果它們的旋轉中心沒有嚴格地落在太陽的球心的話,那麼還有其他的7顆行星呢?按照這樣的推理,所有的旋轉中心都沒有落在太陽的中心,每一個都會帶來一些擾動,既然如此,在這些擾動之下又怎麼能夠保證木星與太陽剛好圍繞的是它們二者計算出來的那個中心旋轉呢?難道它們不會被其他的行星拉偏嗎?
嚴格來說,的確是會被拉偏的,但是由於木星的質量太大了,假如把其他另外的7顆行星全部放在和木星對應的太陽的另外一邊,並且把它們的質量全部增加一倍,即使如此,它們7個加總起來的影響力仍然趕不上木星。所以木星與太陽之間的中心位置受到的影響真的是微乎其微。
圖解:體積對比圖
從技術上嚴格的來說,如果你真的想計算出一條完美的8大行星環繞太陽時,太陽和其他行星互動的中心以及運動的精確軌跡的話,我只能說這個問題幾乎無法求解,在數學上三個星體互相繞行產生的計算問題叫做「三體問題」,它已經不能夠產生封閉形式的數學解了,我們用數字計算機也許可以計算,但是依然會有巨大的計算挑戰,更不要說8顆行星與太陽在一起的「九體問題」計算,如果你們想挑戰的話,請好好地努力。