太陽係為什麼有個黃道面,其上方和下方到底有什麼?

2020-12-03 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

老有人問太陽系的上方下方等問題,因此要說清楚這個問題,我們就要首先解決太陽系的上方和下方問題。

簡單來說,太陽系沒有上方和下方。

太陽系不但沒有上方和下方,也沒有左方和右方。因為上下左右是地球人類在地球上的概念。地心有引力,把人類牢牢固定在地球上,人們腳踏實地就把它叫下,而相反的天空就叫上,把自己的左手叫左邊,把右手叫右邊。

這是千萬年來人類形成的共識,因此可以相互交流。但在太空是沒有這個概念的。太陽系就像個大盤子,盤子中央是太陽,八大行星和各種天體都炸圍繞著太陽轉,這個轉不是在一個實體上滾動,而是漂浮在太空中,不著邊際的運動者。如果人類在太空觀察這個盤子,從不同角度就可以看到這個盤子豎著或者躺著,上下左右隨時可以顛倒。(見上圖

人類就在太陽系並不算大的一個行星上,這個球只有太陽質量的0.0003%,也就是33萬分之一大小。當旅行者1號在64億千米距離回眸一瞥,拍下了地球那張驚世駭俗的照片時,我們看到的只有一個像素般的模糊光點,就在那個光點上,生活著70多億人口,這些人有五花八門的心思,大言不慚的對太陽系乃至宇宙評頭論足。

在地球上,上下左右也是相對的。

地球是圓的,這個圓球四周各方各面都站著坐著躺著人類,美國在西半球,中國在東半球,這當然也是人們自己定下的規矩,但中美各在地球的一邊是客觀存在。如果把我們這邊叫上面,老美那邊就叫下面,反之亦然。世界各國的人們都指著天上,說那是上面,四面八方就都是上面,而只有地球核心是下面了。

地球有一個虛擬的軸,看不見摸不著,地球自轉就是圍繞著這個軸旋轉,這個軸的兩邊就是南北極。地球一邊自轉,一邊圍繞著太陽公轉,圍繞著太陽公轉的軌道面就叫黃道,太陽系所有的行星和天體,基本都在這個黃道面附近的軌道運行。

如果北極為上,那南極那邊就是下了,而南極為上,北極那邊就是下了。地球自轉軸雖然並不是垂直於黃道,偏了23.44°,但南北極大致在黃道面的兩邊,你說黃道哪邊為上,哪邊為下呢?

假設我們在太空中,遙看到太陽系的運行狀態,不同的位置會看到太陽系黃道豎起來或者躺著,或者傾斜著。就會知道這種狀態是沒有上下左右之分的,你一定要確定一個上下左右,取決於你處於什麼位置上觀測。而且太陽還帶著八大行星等拉七雜八的天體,圍繞著銀河系中心,以每秒約250km速度公轉呢。(見上圖)

恆星系統是如何形成的。

太陽系所有天體都在黃道位置附近運行,是由於太陽系形成機制導致的,而且這種機制基本適用於所有恆星系統,也就是說恆星的形成機制都與太陽差不多。

所有恆星都是在星雲中誕生,無論是宇宙剛誕生之初,還是現在都如此。只不過宇宙誕生之初的星雲更純淨,只有氫元素和氮元素,還有極少量的鋰。這幾種元素都是創世之母,最早的處女雲。

隨著恆星的演化,核聚變生出了更多的元素,超新星大爆炸讓全部元素在極高溫度和高壓下生成了。現在宇宙中已經發現有118種元素,這些元素地球上都有存在,說明我們地球和太陽系並不是在原始星雲中誕生,而是通過超新星大爆炸,散發到太空的二次或三、四次星雲中誕生的。

這些星雲在宇宙中由於萬有引力作用,經過億萬年的相互吸引,終究會越來越緻密,隨著星雲密度的增大,引力越來越強大,就會收縮得越來越快,最後形成坍縮之勢。急劇的收縮壓力導致星雲核心溫度和壓力越來越高,到達一個臨界點,就會激發氫核聚變。

太陽中心溫度1500萬K,壓力達到3000億個大氣壓。核聚變的巨大輻射壓抵禦住了收縮壓,以一個巨大等離子球的形態穩定存在與宇宙中,這樣一顆恆星就漸漸成熟了,進入主序星時期。

黃道面的形成原因,及其黃道面上下空間狀況。

在星雲快速收縮過程中,由於星雲並不是規則完美的,引力到達每一塊星雲並不是均衡的,這樣就會導致星雲開始旋轉,隨著旋轉速度越來越快,星雲就會向赤道方向甩出,漸漸就形成恆星吸積盤,一個巨大扁平狀的旋轉雲團。

恆星在中心形成後,會吸附掉整個吸積盤絕大部分質量,比如太陽就吸附掉了整個吸積盤質量的99.86%,剩下的一點點渣渣滓滓就漸漸碰撞吸附成了行星等天體,這些天體就在依然在吸積盤的盤面附近,根據角動量守恆定律,圍繞著太陽旋轉。這就是太陽系各個行星及其他天體都會在黃道面附近的原因,其他恆星系統大致也如此。

至於黃道面垂直的空間,其實幾乎什麼也沒有,當然也不排除極少量的小天體存在。但在這個黃道面的兩邊,引力是一樣存在的,因為引力是與質量成正比的,其遵循的公式為:F=GMm/r^2。

這個表達式表明,引力大小與物體的質量M和m成正比,與距離r的平方成反比。因此在太陽黃道面的兩邊,引力大小與黃道面一樣,都是與太陽距離是成反比的。

太空飛行器為啥不往空曠的黃道面垂直方向發射呢?

前面說了,並不是向與黃道面垂直的空間發射飛行器引力就會小一些,只是在太陽黃道面,由於行星的存在,引力表現得更為複雜罷了。

奧爾特雲帶比較完美的詮釋了太陽系引力狀態。科學家們認為太陽的引力影響約有1光年半徑,在太陽系最遠的引力邊際,有一個奧爾特雲帶,主要由彗星組成,這些彗星成一個球狀包裹在太陽系的邊緣。

這是因為這些彗星受到一些大行星引力拋甩,而距離太陽太陽,太陽引力已經不足以把它們完全控制在黃道面上,且這些彗星不但受到太陽系影響,還受到附近恆星影響所致。因此,太陽引力在這裡就以一個完美的球狀展示出來。

人類發射的空間探測器,一般都沿著黃道面前行,主要有兩個原因:一是這些探測器或飛船的任務都是探索太陽系天體,黃道面垂直方向沒有需要探索的天體;二是需要藉助地球自轉和公轉速度,以及一路上行星的引力彈弓效應加速或者減速,從而減少燃料消耗,垂直黃道面發射所耗費的燃料要多很多,而且發射困難會增加很多,這樣發射等於作繭自縛,豈不是很傻?

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