沒想到吧,太陽系有一顆行星根本不繞太陽轉-虎嗅網

2020-11-22 虎嗅APP


教科書告訴我們,太陽系的八大行星圍繞著太陽旋轉,太陽是太陽系的中心。畫成圖大致是這樣的——



於是乎,當我們想像行星繞著太陽旋轉的時候,腦子裡總是會出現一個類似於旋轉木馬的模型,太陽似乎被固定在中心,其他行星繞著太陽的中心旋轉。



這種解釋方式清晰易懂,適合教學,但實際上它有缺陷。這是因為,太陽系裡有一個行星並不圍繞著太陽旋轉,它實際上在繞著太空中的一個看不見的點旋轉。


這個行星就是木星。


木星@NASA / JPL


是這樣的,太陽對行星有引力,行星對太陽也有引力,因此行星繞著太陽旋轉時,不動點並不正好是太陽的重心。就比如你和同學互相拉著手轉動,不動的那個點既不在你體內,也不在你同學體內,而在你倆之間。


這個不動點,就叫做質心,類似於天平的支點。計算質心的位置在哪裡,是一個典型的二體問題 ,中學生應該算過很多遍了。誰質量更大,質心就更靠近誰;大家質量差不多,質心就居中。


質心@NASA


就比如在地月系統裡,地球和月亮的質心就位於地球半徑75%的地方,也就是離地球重心4671千米的地方。


地月系統的質心(黑叉)@ESA


然而對於太陽系除木星以外的其他行星來說,它們的質量相較於太陽可以忽略不計,因此這個質心總是落在太陽體內,接近太陽的重心。


但是呢,木星的質量是其他所有行星加起來的2倍,因此木星—太陽的質心距離太陽的重心更遙遠,約是太陽半徑的1.07倍,大概離太陽表面有4.8萬千米,比地球的赤道周長還要長。人類賣出的奶茶首尾連起來,不知道能不能夠到。


太陽和木星的質心所在位置@NASA/SDO


換句話說,木星和太陽都圍繞著離太陽表面4.8萬千米的這個看不見的點旋轉。



那麼太陽繞著這個質心的轉速有多大呢?


因為木星的引力,太陽圍繞著質心的旋轉速度是13米/秒。作為比較,太陽圍繞地球—太陽系統的質心的旋轉速度只有9釐米/秒。木星要花11.8年才能繞太陽一周,而太陽繞質心一周的時間也是11.8年。


知道了這個知識點又有什麼用?


這非常有用。因為太陽和木星圍繞著宇宙中的一個看不見的點旋轉,因此在其他地方看來,太陽會微微抖動。



從不同角度觀察到的恆星的抖動@NASA


其實,所有的二體系統都會發生這種抖動,而這種抖動也是天文學家發現繞著恆星旋轉的大質量太陽系外行星的一種方法。


從地球上看,如果遠處恆星有類似於木星這樣的大質量行星,那麼它相對於地球的速度就會有周期性的變化。這種變化,會讓恆星發出的光一會兒變藍,一會兒變紅。


比如,因為太陽的抖動,太陽光譜,也就是夫琅和費線會周期性地一會兒向紅光偏移——紅移,一會兒向藍光偏移——藍移。


夫琅和費線


其他恆星也是一樣,當它們向我們這邊抖的時候,它們的夫琅和費線就會藍移,而當它們抖遠的時候,就會紅移。這個檢測恆星附近行星方法,叫做都卜勒抖動。


沒有紅移或藍移的光譜(上),紅移(中),藍移(下)@Caltech


說到轉動,還有一個很有意思的現象,這個現象叫做扎尼別科夫效應,是前蘇聯太空人弗拉基米爾·扎尼別科夫發現的。


微重力中的扎尼別科夫效應@NASA


1985年,扎尼別科夫在太空中執行任務時,發現在微重力中旋轉的蝶形螺母會周期性地翻轉。


微重力中蝶形螺母的扎尼別科夫效應@engineeringclicks


這個現象把前蘇聯嚇壞了,他們害怕這會引發人類對世界末日的恐慌。你想啊,地球可以看作一個大號的蝶形螺母,而且地球也在圍繞著地軸自轉。如果扎尼別科夫效應適用於萬事萬物,那麼地球在周期結束後也會180度翻轉。到時候地球不就要亂套了?


但是,物理學家們再次拯救了地球。原來,支配扎尼別科夫效應的,是中間軸定理,而中間軸定理並不適用於地球。


簡單來說,如果一個物體沿著XYZ軸旋轉時,有3個不同的轉動慣量,那麼就認為它有3個不同的慣量主軸。





T型剛體的3個慣量主軸。紅色的那根是中間軸,繞著它旋轉產生的轉動慣量居中。根據中間軸定理,如果T型剛體繞著它旋轉,必定會發生周期性的翻轉。@Randy Dobson


中間軸定理指出,物體只有在沿著能產生最大轉動慣量的慣量主軸,或者沿著最小轉動慣量的慣量主軸旋轉時才比較穩定,沿著中間那個慣量主軸旋轉時,必然會發生周期性的翻轉。


這就是為什麼,你把桌球拍繞著下面這個軸丟起來的時候,它肯定會發生翻轉。因為這個軸是桌球拍的中間軸,繞著它旋轉產生的轉動慣量既不是最大,也不是最小,非常不穩定。




但是這樣丟就不會——




這樣丟也不會——



@kettering university


其實,中間軸定理也解釋了跳水、體操運動員在旋轉和空中轉身時手部的動作。



Simone Biles 在2019全美體操競標賽上的藐視重力的動作


運動員為了做出空翻+轉體的動作,就要讓身體變得不對稱,使自己沿著中間軸旋轉。所以你可以看到他們會突然一隻手向上,一隻手向下,擺出超人的姿勢。


空翻+轉體的動作需要在中間軸上旋轉,因此身體要不對稱。@Society for Industrial and Applied Mathematics


但是如果不在空中轉身,那麼就要保證在最大或最小的慣量主軸上旋轉,所以運動員就要讓身體保持對稱,兩個爪子就要對齊。


只是做多次空翻旋轉,並不轉體的話,需要身體在最大或最小慣量主軸上旋轉。@Society for Industrial and Applied Mathematics


話說回來,完美的勻質真空球形不管怎麼轉,轉動慣量都一樣大,沒有中間軸,無法產生扎尼別科夫效應。


地球也差不多。地球雖然不是一個完美的球體,但赤道附近更加凸起,因此實際上是一個類球面,只有2個不同的慣量主軸,並不存在中間軸,因此不適用於中間軸定理。


地球只有2個不同的慣量主軸@columbia university


況且,地球已經沿著產生更大轉動慣量的主軸轉動了,所以其自轉是相對穩定的,不會周期性翻轉。害怕地球會突然使出託馬斯旋轉街舞招式的同學,可以安心洗洗睡了。



對了,貓咪總能四腳著地的定律在太空裡卻不靈了。戰鬥種族要是看到喵星人在微重力裡的轉法,可能會更加懷疑人生吧。大家來吸一下美國聯邦航空管理局做的研究——




相關焦點

  • 沒想到吧,太陽系的這個行星根本不繞太陽轉
    教科書告訴我們,太陽系的八大行星圍繞著太陽旋轉,太陽是太陽系的中心。畫成圖大致是這樣的——於是乎,當我們想像行星繞著太陽旋轉的時候,腦子裡總是會出現一個類似於旋轉木馬的模型,太陽似乎被固定在中心,其他行星繞著太陽的中心旋轉。這種解釋方式清晰易懂,適合教學,但實際上它有缺陷。
  • 地球不繞著太陽轉?科學家:太陽系所有天體繞一個看不見的點轉!
    相信在絕大多數人的印象中,月球繞著地球轉、地球繞著太陽轉、太陽是太陽系的中心……聽起來似乎沒有問題,但這個說法並不完全正確。發表於《天文物理期刊》的一項研究表明,雖然是太陽創造了太陽系,但太陽系裡的所有天體都在繞著一個看不見的點在轉,包括太陽也是。
  • 地球不是繞著太陽轉?科學家:太陽系所有天體繞一個看不見的點轉!
    相信在絕大多數人的印象中,月球繞著地球轉、地球繞著太陽轉、太陽是太陽系的中心......聽起來似乎沒有問題,但這個說法並不完全正確。發表於《天文物理期刊》的一項研究表明,雖然是太陽創造了太陽系,但太陽系裡的所有天體都在繞著一個看不見的點在轉,包括太陽也是。 感覺是不是有點懵?
  • 地球不是繞著太陽轉?八大行星和太陽,繞著一個看不見的點旋轉
    相信在絕大多數人的印象中,月球繞著地球轉、地球繞著太陽轉、太陽是太陽系的中心......聽起來似乎沒有問題,但這個說法並不完全正確。發表於《天文物理期刊》的一項研究表明,雖然是太陽創造了太陽系,但太陽系裡的所有天體都在繞著一個看不見的點在轉,包括太陽也是。  感覺是不是有點懵?地球不繞太陽轉,那繞什麼轉?太陽系的質心!
  • 太陽系中曾有兩個太陽?-虎嗅網
    4年前,一些天文學家提出,在外太陽系中可能隱藏著一顆太陽系「第九行星」。但是,第九行星究竟是什麼?它為什麼會出現在那裡?要解釋這些問題並不容易。最近,兩項研究分別提出了兩個瘋狂的假說:第九行星可能是一個原初黑洞;或者,它的存在是因為太陽系中曾有第二個太陽。
  • 太陽有多大?假如太陽是一顆宜居行星,週遊世界有多難?
    地球是太陽系中一顆普通的巖質行星,而太陽系中最大的天體就是太陽,太陽有多大?它佔據了太陽系物質總量的99.86%。但從數據上來看,我們難以領略太陽的大,所以讓我們來進行一個假設,假設太陽是一顆宜居行星,而我們就生活在這顆宜居行星之上,那麼我們是否還有希望完成週遊世界的夢想呢?
  • 太陽系中有一個黑洞?擾動太陽系的神秘行星X可能根本不是行星
    2016年1月20日,美國加州理工學院的邁克·布朗和康斯坦丁·巴特金在《天文物理期刊》發表他們的研究成果,宣布發現太陽系柯伊伯帶中6顆天體的運行軌道異常,這6顆天體雖然以不同速率運轉,但其運行軌道卻擁有相同的傾角,且朝向太陽的角度相近,而自然條件下碰巧出現這一情況的機率只有1/14000(0.007%)。
  • 太陽系會有第九行星嗎?在太陽的背面,會不會有一顆「反地球」
    九大行星,自從人類以投票的方式將冥王星投出了行星的行列,太陽系就剩下了八顆行星,那麼未來是否還有可能再發現一顆行星,補足九顆呢?這種可能性的確是存在的,因為現在人類的天文觀測手段還十分有限,無法確定太陽系外圍是否還有新的行星存在,比如在海王星外側的柯伊伯帶之中,就有可能存在著一顆尚未被發現的冰巨星,當然,這也僅僅是一種可能和猜想,並沒有什麼確實的證據。新的行星只可能存在於太陽系的外圍嗎?
  • 為什麼太陽系的行星都是水平公轉太陽,沒有垂直公轉太陽?
    因為太陽系各星球之間的力為內力,上式右端為零。學過數學就知道,左端ΣM(mv)為一常數,這就是動量矩守恆定理。所以太陽為參考系,太陽和行星繞太陽中心z軸轉動的動量矩不變。也就是說,在太陽系的形成過程中,太陽系總的動量矩即主矩,大小和所在平面始終是不變的。
  • 北極星是我們太陽系的行星嗎?
    太陽系行星只有8顆,除了我們地球,依次從靠近太陽算起,還有:水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星,我們地球夾在金星和火星之間。而在夜空中,我們肉眼能夠看到的星星有6千餘顆,其中只有5顆行星能夠看到,其餘的都是恆星。恆星是什麼?就是由於質量很大,在巨大引力壓縮下,中心不斷發生著核聚變,由此產生巨大的能量輻射,不斷向太空散發著光和熱的天體。
  • 假如太陽系消失一顆行星,整個太陽系會崩潰嗎?
    八大行星是一個聯動的整體嗎?有盆友認為八大行星的引力相互制約,牽一髮而動全身,因此如果一顆行星消失,整個太陽就崩潰了,那麼事實上會是這樣嗎?哪顆行星消失大家的反應比較猛?無疑肯定是木星,畢竟這是太陽系內最大的傢伙,它消失如果大家都沒反應的話,估計誰都可以消失了,要不然這木星就沒有存在感了!先來看看木星的規格木星相關參數木星的質量大概是太陽的千分之一,直徑是太陽的十分之一,距離太陽的距離大約7.5億千米左右,儘管在太陽面前是個小不點,但在行星中絕對是個巨無霸,因為它的質量是其他七大行星總質量的2.5倍以上!
  • 太陽系中離太陽最近的行星是哪個?
    開啟今天的科學世界吧~點擊播放 GIF 0.0M主播|芸莉:天津交通廣播主持人、天津市科普作家協會理事編輯|張弛我們都知道地球是圍著太陽轉的,其實整個太陽系都是圍繞著太陽轉的,你知道太陽系中離太陽最近的行星是哪顆嗎?
  • 美國科學家在太陽系發現一顆新的矮行星
    2006年捷克首都布拉格舉行的國際天文聯合會上,冥王星被「開除」出九大行星序列。轉過身來,它又成了新的天體分類「矮行星」的一員大將,加上穀神星、鬩神星、鳥神星及妊神星,當前獲得「官方認證」的太陽系矮行星已有5顆。
  • 太陽系中最恐懼的行星是哪一顆?
    美國宇航局(NASA)曾錄製過太陽系中包括太陽在內的每顆星體的聲音。你可能會對此感到好奇,聲音在真空中不是無法傳播嗎?美國宇航局通過探測來自行星的電磁信號的方法來進行記錄。值得注意的是,土星的聲音聽起來令人毛骨悚然。戴上耳機,效果會更好。
  • 行星一定圍繞恆星轉嗎?科學家:這顆行星的個頭,要比恆星還大
    在我們的認知中,太陽系中的一切都圍繞著太陽在進行運轉,這是因為在宇宙中,恆星一般來說,都要比行星大上許多,而且一個恆星系統的形成,也是現有恆星,在之後才會逐漸形成行星、衛星等等。所以,看起來,行星圍繞著恆星運轉,是再正常不過的知識了,而且恆星與行星相比,它們之間的差距有多大呢?
  • 太陽系行星們誰轉得最快?八大行星自轉速度排行榜,地球排第五
    不知道大家有沒有玩兒過陀螺呢?玩兒陀螺的技術如果很好的話,它可以在地上飛快地旋轉並且能夠旋轉很長的時間。有趣的是,宇宙中的很多星球就像陀螺一樣繞著一個中心軸旋轉著。這就是星球的自轉。在太陽系中有八顆大行星,它們都在自轉。太陽系中的八大行星中誰的自轉速度最快?誰的自轉速度又最慢呢?今天咱們來一起聊聊這個有趣的話題。
  • 太陽系行星們誰轉得最快?八大行星自轉速度排行榜,地球排第五
    不知道大家有沒有玩兒過陀螺呢?玩兒陀螺的技術如果很好的話,它可以在地上飛快地旋轉並且能夠旋轉很長的時間。 有趣的是,宇宙中的很多星球就像陀螺一樣繞著一個中心軸旋轉著。這就是星球的自轉。在太陽系中有八顆大行星,它們都在自轉。太陽系中的八大行星中誰的自轉速度最快?
  • 為什麼太陽系每顆行星都歪著轉,能正經一點嗎?抱歉這是祖傳的
    不只是地球,太陽系裡每一顆星星的自轉軸都是歪的,最誇張的天王星甚至還躺著轉,金星還是反著轉的,同樣在太陽系同一個黃道面上誕生,為什麼會千姿百態?下面簡單探討下。從角動量守恆的角度來看,行星的公轉與自轉並沒有直接關係,簡單的說行星的自轉軸和公轉平明兩者之間沒有任何關係,無論行星怎麼轉都與黃道面無關,但這並不代表與形成沒有關係,因為太陽系的行星都是原生行星,因此這個問題必須要從太陽系的誕生開始討論
  • 宇宙為何都是行星繞恆星轉?有沒恆星繞行星轉的?
    事實上,準確地說,行星不是繞著恆星轉,恆星也不是繞著行星轉,而是行星和恆星同時繞著行星與恆星的共同質心轉。只不過恆星與行星的質量相差過於懸殊,它們的共同質心一般位於恆星內部(不是位於恆星的幾何中心或質心),所以看起來就像是行星繞著恆星轉。         以地球和太陽為例,地球質量m為5.965×10^24 kg,太陽質量M為1.9891×10^30 kg,日地的平均距離r為1 AU(149597870700 m)。
  • 新證據:太陽系可能隱藏著一顆鬼魅行星
    天文學家發現驚人的新證據,表明太陽系可能存在第九顆行星——不,他們不是指冥王星。在上周發表的一篇新論文中,科學家宣布,他們識別出了一顆小型巖石天體。它位於海王星以外,它的奇特運動軌跡顯示:它可能受到一顆較大行星的引力影響。