太陽系行星軌道為什麼不是閉合的橢圓?

2021-01-16 李論科學

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引力在四種基本力中是我們人類首先認識和理解的力,但也是目前唯一沒有被量化的力,也是在宇宙的大尺度上唯一起作用的力。因此引力直接主導了宇宙的演化過程!

在宇宙中任何具有質量或能量的物體都會吸引其他具有質量或能量的物體,這就解釋了從地球上墜落的物體到行星的軌道,再到宇宙中最大結構的形成。廣義相對論預測了引力輻射也就是極端天體的軌道衰減問題,那太陽系內行星的軌道呢?我們先從牛頓引力和廣義相對論的區別說起,

牛頓引力和廣義相對論的區別

下圖中有關引力的描述只是一個更為接近基本真理的近似值。物體感受到引力並對所受力的方向做出加速反應,用這樣的術語來描述引力的相互作用完全符合我們日常經驗。這就是幾個世紀以來艾薩克·牛頓為我們提供的對現實最好的理解。

但是在愛因斯坦的相對論中有一個非常非常重要的微妙之處。也可以說是一次偉大的思想革命,即空間和時間不是獨立的、固定的實體,而是一個不可分割的組合(時空),時空的形狀本身決定了內部所有物體(有質量的和無質量)的運動軌跡。

此外,時空的形狀或曲率是由存在於時空本身的所有物質和能量的分布決定的!在一個理想的系統,比如我們的太陽系,牛頓的引力和加速度是一個關於引力本質很好的近似。這也說明牛頓引力有局限性!

在牛頓引力理論中,有一個顯著的結論是,任何圍繞大質量中心旋轉的小質量物體都會以一個完美的橢圓軌道運行,每一次旋轉都會沿著相同閉合的路徑返回。

而事實上,在廣義相對論中所有的行星都無法在圍繞太陽的軌道上形成一個閉合的橢圓,總會差那麼一點點。當一顆行星離母恆星越近,軌道的偏差越大。這是因為時空彎曲的越嚴重,時空曲率越高,就不是牛頓引力所能掌握的情況了。

愛因斯坦對引力輻射的預測

在大引力區域,廣義相對論與牛頓引力形成了鮮明對比,行星的軌道不僅無法閉合,而且在足夠長的時間尺度上,軌道實際上會發生衰減。這是因為愛因斯坦預測,如果運動的電荷在繞原子核運動中會發出電磁輻射,那麼質量物體在引力場中的運動也會引起引力輻射,並且帶走軌道的能量,使軌道發生衰減。

因此,如果時間足夠長,太陽系的行星最終都會向內螺旋走向太陽系的中心,與中心的質量合併。

其實我們不必擔心地球會落入太陽,因為相對於太陽微不足道的質量和行星離太陽的距離,軌道衰減的十分緩慢,我們根本無法察覺。要想使地球撞向太陽至少需要10^150年的時間,這比宇宙中任何恆星的壽命都要長得多。

對軌道衰減的驗證

但是,如果我們能在宇宙找到一個大質量,並且軌道距離較近的系統,我們應該能夠檢驗到相對論的軌道衰減預測,看看在極端引力狀態下軌道是否會衰減,否會以愛因斯坦理論預測的速度衰減?

因此我們需要尋找的是一個有著太陽質量的天體,但它的體積只有一座山那麼大,在宇宙中中子星就是首選觀測對象。

中子星是II型超新星爆發中的超大質量恆星的殘餘核心,中子星的質量還不足以塌縮成黑洞。已知質量最大的中子星之一是PSR J0348+0432,質量大約是太陽質量的兩倍,但半徑可能只有10公裡。對於這顆中子星來說,他的特別之處在於:

大多數中子星屬於脈衝星,這意味著,當中子星旋轉時,會以發射出兩束無線電輻射。這顆中子星的無線電正好掃過我們地球,這非常罕見。我們用無線電望遠鏡從這顆中子星接收到了一個非常有規律的脈衝每秒鐘25次。這顆中子星是一個雙星系統,這意味著有另一個質量正在繞著它旋轉。這是愛因斯坦相對論的一個非常特殊的例子,因為它們不僅有進動的橢圓軌道,還有軌道衰變後發出的引力輻射。最後,圍繞中子星的另一個質量是白矮星,一個非常小的物體,質量和太陽差不多,但是和地球的物理大小相當,並且它離中子星很近,每2.5小時繞中子星一圈。這種極端系統中的引力軌道衰變已經被觀察證實了幾十年,甚至獲得了諾貝爾獎。這是相對論有史以來最強的測試之一!

我們發現雙星軌道周期以每年8微秒的速度在變化,這與愛因斯坦的預測完全一致!這就廣義相對論主導下的引力軌道衰減。

相關焦點

  • 為什麼行星軌道是橢圓形而不是圓形的?
    對於許多兒童來說,一個受歡迎的科學項目包括製作太陽系的立體模型,用彩繪的泡沫塑料球製作行星,用金屬絲製作軌道路徑。時至今日,當大多數成年人想到太陽系時,他們會想像出一組同心圓環,最大的圓環上有最遠的行星,而太陽恰好位於中心。雖然這有助於項目的整潔,但它實際上並不正確。太陽系行星(以及太空中絕大多數行星)的軌道實際上是橢圓形,而不是圓形的。
  • 為什麼行星軌道都是橢圓形而不是正圓形?
    在準備科學實驗項目時,製作太陽系的微縮模型對孩子們來說就是一個不錯的選擇。他們用上色的泡沫塑料球來模擬各個行星,而各個行星的運行軌跡則用金屬絲代替。即使在今天,當許多成年人想起太陽系這個名詞時,他們腦海裡浮現出的是一串同心圓:太陽處在圓的中心位置,而距離太陽越遠的行星所在的同心圓就越大。如果按照以上想法來做太陽系的微縮模型,成品看起來可能還不錯。但實際上,這種認識是不正確的。在太陽系中,行星運行的軌道並不是正圓形,而是橢圓形(對太空中絕大多數的行星而言)。
  • 行星軌道為什麼是橢圓的?為什麼太陽只集中在一個焦點上?
    網友提問:為什麼行星軌道都是橢圓的?為什麼太陽只集中在一個焦點上,那麼另一個焦點又是什麼呢?答:這個問題總是困擾著我。簡短回答一下:這個問題從數學上超綱了,尤其是在第一年的物理學和微積分範圍外。事實上太陽在一個焦點是個再正常不過的事兒,更常見的是,另一個焦點什麼也沒有。
  • 為什麼行星繞日是橢圓軌道,而不是正圓軌道?
    【每日科技網】  從理論上講,行星繞太陽的公轉軌道是圓形的概率非常非常低,低到幾乎為0。即使銀河系中真的發現了一個軌道是圓形的行星,它的圓形軌道也不會一直保持下去。
  • 為什麼行星運動軌跡是橢圓,而不是圓形?在牛頓用微積分計算前,無人...
    好吧,這確實是橢圓的,至於為什麼是橢圓的,這是一個數學問題,我查閱了一些資料,可以用一個通俗易懂的方式來解釋這種軌道現象。 星圖歷史 從亞里斯多德(Aristotle)到哥白尼(Copernicus),每一個建立了太陽系模型的人都喜歡圓來表達。
  • 為什麼地球繞太陽轉軌跡是橢圓的,而不是圓?
    嚴格地來說,地球並不是單純的受到太陽的引力繞太陽公轉。而是繞著地球與太陽組成系統的的質量中心而轉動(如果不考慮其它天體的影響)。 我們要知道太陽是太陽系的中心天體,而地球只是太陽系中一顆普通的行星,太陽的質量是地球質量的33萬倍,日地的公共質量中心離太陽中心僅450千米。
  • 太陽系的行星X?為什麼不是一個小黑洞呢?
    軌道怪異行星X的起源始於海王星的發現。海王星不是偶然發現的:利用天王星軌道的奇數觀測來計算海王星的位置,隨後發現了海王星的位置。這些遙遠的天體都不足以成為行星X。但是,它們的一些軌道可能也表明需要一個新的行星。一些跨冥王星物體的軌道非常怪異。許多是聚類和高度橢圓軌道,有一個子群,軌道都位於行星軌道的平面外。這很不尋常,因為引力的作用和形成行星的圓盤的性質通常使一切接近同一軌道平面。發現高度傾斜的軌道表明,有東西正在把物體從平面上拉回來。
  • 為什麼行星軌道是橢圓形?
    邏輯三段論但是我們既不是物理學家也不是數學家,且數學水平有限,看到數學推導計算不只能放棄嗎?當然不是,因為每個人都可以看懂數學推導的邏輯,而數學推導的邏輯才是我們理解問題的關鍵。太陽系行星軌道計算整體思路1、計算出橢圓的數學方程式,圓是橢圓數學方程式中的一個特殊解。
  • 彗星軌道和行星的一樣嗎?
    注意到行星的不同軌道(快速和圓形),柯伊伯帶天體(橢圓和大致共面)以及這顆星際小行星。圖片版權:Tony873004 of Wikimedia Commons當你研究行星在我們太陽系中的軌道時,正確的答案是幾百年前給出的:首先由克卜勒運動定律描述,然後由牛頓萬有引力定律導出。
  • 為什麼說彗星的軌道非常特別,不同於太陽系其它的天體?
    即便輻射壓的作用它是存在的,但是不是還必須滿足一個條件,就是彗星的組成物質很小、很鬆才能被太陽光輻射給吹出來。那為什麼其他的小行星也是暴露在太陽風之下卻沒有形成慧尾呢?這就聯繫到另一個目前為止還沒有完全解決的問題。彗星是從哪兒來的好像有幾個版本。曾經聽到過一個版本說,彗星是在星際空間當中到處流浪的天體,受到太陽的引力被他追過來的。但顯然好像現在它不是主流了,關鍵是它到底是什麼樣子的來歷。
  • 太陽系存在第九行星?和地球同一軌道,位於太陽背後?
    (譯註:行星的存在對恆星的運動和周圍的行星都有很小的影響),如果在太陽後面有另一顆行星的話,它肯定會對太陽本身的擺動產生輕微的影響。在太陽系中不可能有這樣一顆行星,在同一軌道上有兩顆行星,不可能在任何時候都與太陽形成線性關係,太陽也不可能永遠阻擋人類的觀察。
  • 為什麼天體大多沿橢圓軌道運行?維持正圓軌道有多難
    為什麼天體大多沿橢圓軌道運行?對於這個問題的回答是:因為天體幾乎不可能沿正圓軌道運行,所以它只能沿橢圓軌道運行。天體運行的軌道其實是引力和天體沿直線運動的趨勢相互拉扯的結果,如果這兩者能達到平衡,就會得到正圓軌道。
  • 太陽系第九大行星存在?矮行星異常軌道成謎,或暗示新行星
    天文學家們一直相信,在太陽系海王星之外的廣闊宇宙中,還會有新的行星,尤其是當冥王星被降級成為矮行星後,關於新的第九行星就成為許多科學家的關注對象,早在2016年,2位行星科學家宣布他們相信一個未發現的「幽靈星球」正在我們的太陽系中,它位於遠遠超出冥王星的偏遠地帶,這個行星大約是地球質量的十倍
  • 並非什麼東西的軌跡都是圓的,行星的運動軌跡就不是,為什麼?
    圓總給人一種合理的感覺,這表現在很多事物的發展都與圓有關,例如行星的運動軌跡。根據記載,最早對太陽系進行模型建立的人是亞里斯多德,他同時也是第一個將行星軌道畫成圓形的人。之後很多天文學家和數學家都想知道行星的軌道為什麼是圓的,但又怎麼都想不明白,最後只能當作是理所當然了。之後哥白尼提出了日心說,同樣也建立了一套太陽系模型,在這套模型中行星軌跡同樣是圓的。
  • 太陽系八大行星排列順序與行星之間的距離
    與類木行星相比,類地行星的體積要小很多,四顆類地行星加起來也不及天王星的四分之一。包括太陽在內的太陽系家族所有成員,應該都是在同一時期形成的。在火星與木星的運行軌道之間,也就是區分兩類大行星之間的空間,是小行星活動的天地。這裡散布著一大群小行星,所以也被稱為小行星帶,它同樣也是太陽系家族的重要成員之一。
  • 太陽系可能不止有八顆行星,但為什麼說九號行星有可能是黑洞呢?
    目前,研究人員普遍認為這顆行星的大小很有可能是地球的5-10倍,也就是說這是一顆較大的行星了,如果它存在的話為什麼還沒有被發現呢?吸引塞德娜的另一個力塞德娜的軌道非常的奇怪,近日點和遠日點相差太大,但是為什麼這麼大的一顆行星在脫離了軌道之後卻仍然在太陽系旋轉呢?這就說明其實在深空裡有另一個力在牽引著它。科學家對其它「超海王星天體」也進行了研究,發現它們的運行軌道都非常的類似,都是呈現出橢圓的形狀,而且這些橢圓都聚集在了一起。
  • 太陽系可能不止有八顆行星,但為什麼說九號行星有可能是黑洞呢?
    近日點和遠日點相差太大,但是為什麼這麼大的一顆行星在脫離了軌道之後卻仍然在太陽系旋轉呢?科學家對其它「超海王星天體」也進行了研究,發現它們的運行軌道都非常的類似,都是呈現出橢圓的形狀,而且這些橢圓都聚集在了一起。這一切有可能是隨機發生呢?
  • 科學家苦苦尋覓的太陽系第9行星為什麼至今尋而不得?
    在過去的好多年裡,很多科學家都在苦苦尋覓太陽系外層的第9行星,但至今卻依然沒有發現它的蹤跡。第9行星真實存在嗎?它在跟我們玩躲貓貓嗎?還是它原本就不存在?因行星只是反射太陽的光,它在遙遠的角落,能被我們觀測到的光亮非常有限。從地球觀測,它會顯得又小又暗。海王星的發現,得益於科學家根據周圍星球的運行軌道,推測出了它的存在,令人欣喜的是,科學家沿著理論計算出的運行軌道,最終找到了它。除了1930年發現了冥王星外,科學家在研究和發現太陽系外層星球方面,進展緩慢。
  • 科學家苦苦尋覓的太陽系第9行星為什麼至今尋而不得?
    因行星只是反射太陽的光,它在遙遠的角落,能被我們觀測到的光亮非常有限。從地球觀測,它會顯得又小又暗。海王星的發現,得益於科學家根據周圍星球的運行軌道,推測出了它的存在,令人欣喜的是,科學家沿著理論計算出的運行軌道,最終找到了它。 除了1930年發現了冥王星外,科學家在研究和發現太陽系外層星球方面,進展緩慢。
  • 不是冥王星,太陽系第九大行星找到了?
    冥王星被除名恢復行星無望,太陽系第九大行星找到了!