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古時候，天文學家們認為所有的天體——太陽，月亮，行星，恆星——都圍繞地球運動，像是鑲嵌在一層層的透明球殼裡。隨著科學的發展，人們能夠更好地認識我們在宇宙中的位置，他們發現所有的行星，包括地球在內，實際上是圍繞著太陽運動的。
科學家們不僅發現了行星繞太陽運動，他們也知道了造成這種現象的原因。是什麼樣的一系列事件引導人們建立的現在的太陽系模型呢？
天文學家曾認為地球是太陽系的中心
圖解:地心說，地球位於中心，月亮太陽和其他行星的軌道圍繞地球，從內向外依次是月亮、水星、金星、太陽、火星、木星、土星。圖片來源：wikipedia
因為我們生活在地球上，我們會看到各種天體在天空中穿行，很自然地就認為地球是宇宙的中心。這就是地心說，很多古代文明都相信這種觀點。看起來，太陽月亮行星以及其他星星每天繞地球一圈，而地球看上去是不動的，所以像託勒密一樣的天文學家認為地球是宇宙的中心。他們以這個錯誤的太陽系模型為基礎做了非常深入的研究，建立了非常詳細的模型來對天體運動做出精確的預測。託勒密基於這類模型的預測被沿用了1500年，直到更好的模型出現。
圖解：地心說軌道示意圖。為解釋從地球上觀測到的行星運動，不得不在地心說中加入本輪（圖中每個大圓軌道上的小圓）。行星首先按照本輪繞圈，然後整個本輪按照以地球為中心的大圓運動。圖片來源：LefthgiR
太陽才是太陽系的中心
直到16世紀，波蘭天文學家尼古拉·哥白尼出版了他那本改變世界的書《天體運行論》，才提出了新的更加準確的太陽系模型。哥白尼準確地揭示了太陽系的結構，把太陽放在中心，稱為日心說。地球和其他行星一樣，被放在了圍繞太陽運動的位置上，對當時的天文學家來說，已知的行星有6個。
圖解：現在的太陽系模型，包括地球在內的所有行星在以太陽為中心的軌道上運動，大大簡化了需要本輪的地心說模型。圖片來源：VectorStock
哥白尼的模型解答了兩個困擾天文學家們幾百年的問題，一個是為何行星會在幾個月內變亮和變暗（答案是因為它們離得更近或者更遠），另一個是為何行星有時看起來在倒退（逆行）。考慮到地球，行星和背景星的位置改變，就可以輕易地解答。
圖解：行星逆行示意圖，藍色點是地球在5個時間點在軌道上的位置，紅色點是相同的時間點上其他行星在軌道上的位置，紅藍連線投影到右側則表明在地球上觀察時其他行星相對於背景星空的運動。看起來，從第一時間點到第五時間點，行星的運動方向發生過反轉。圖片來源：Wikipedia
為何繞太陽運行
當人們能夠精確地描述太陽系中行星運動的本質時，他們發現了一個更基本的問題：為何行星都繞著太陽轉？是什麼樣的事件導致了這個結果？
要解釋這個問題，我們需要回到46億年前，在太陽系形成之前。當時在我們現在的位置上，有一團大爆炸後形成的質量巨大的氫分子雲。然後某個事件，比如附近的超新星爆發，其衝擊波擾動了這團氣體，使它在引力作用下坍縮，讓氫分子們彼此接觸。
圖解：太陽系原行星盤想像圖，由分子氣體和塵埃組成。鬆散的分子氣體雲在引力作用下聚集，在中心處形成太陽。氣體團因原始的淨角動量保持旋轉，並坍縮成一個圓盤，在圓盤中形成行星。圖片來源：universetoday
每個單獨的分子都有角動量，當大量分子聚集在一起形成大塊的氣體團時，角動量守恆就會使這團氣體自旋起來。想像兩個旋轉的跳傘者在空中相遇並拉住彼此，根據他們原本各自的速度和旋轉，他們會獲得新的整體旋轉速度和方向。
最終所有的氫分子在引力作用下聚集在一起形成了一個帶有自轉的球體，並繼續向內坍縮。在坍縮過程中，它的自轉也越來越快，如同一個花樣滑冰運動員收緊手臂後旋轉地更快。
圖解：花樣滑冰運動員旋轉時，把手臂收緊就會加快旋轉。角動量定義為角速度和轉動慣量的乘積，手臂收緊後轉動慣量減小，但角動量守恆，所以角速度增加。圖片來源：Physics@Brock
在轉動的作用下，這團氣體和塵埃逐漸變得扁平（就像地球自轉使地球赤道半徑略大於兩極方向的半徑）。太陽在中心形成，其他氣體就像一個圍繞著它的薄餅狀圓盤，原行星就在這個薄盤中形成，逐漸收集塵埃顆粒變成越來越大的石塊，累積起來最終形成了行星大小的天體。
行星處於完美平衡狀態中
由於形成行星的原行星盤具有以太陽為中心的角動量，行星形成後也繼續圍繞太陽運動。它們現在的位置速度和太陽的引力有關，它們處在一種平衡中。
圖解：以圓軌道繞地球飛行的飛船如果加大一定速度，會進入橢圓軌道。如果持續加大速度，地球引力不足以提供向心力，飛船就會逃離地球。與此類似，太陽系的各行星受到太陽的引力剛好足以提供它們繞行所需的向心力，所以它們可以穩定地長時間繞太陽運行。
根據圓周運動定律，如果太陽引力提供的向心加速度正好等於行星以某個速度在某個軌道上繞行時的向心加速度，該行星就會保持繞太陽運行。如果由於未知原因導致行星加速（或者減速），太陽引力提供的向心力就會低於（或者高於）行星保持當前速度繞行所需要的向心力，行星就會遠離（或者靠近）太陽。所以說，現如今太陽系中的行星都沒有飛離太陽系或者墜向太陽，是因為太陽提供的引力與它們繞轉所需的向心力正好相同。
相關知識
公轉（英語：Orbital revolution），是一物體以另一物體為中心，沿一定軌道所作的轉動；所沿著的軌道可以為圓、橢圓、雙曲線或拋物線。在天文學上，一般用來形容行星、彗星等星體環繞恆星、衛星、人造衛星等環繞行星；小規模星系、星雲、宇宙塵埃等環繞大規模星系；以及更大規模的天體間環繞的運動。
圖解：地球的公轉
在不同的參照系中，公轉在不同的視角下，會出現兩種公轉方向。一種為逆時針方向，一種為順時針方向。如下面的圖所示，橙色球繞著圖中心的紅色球做公轉運動，左邊的是逆時針方向，右邊的是順時針方向。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.universetoday- xeno
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