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在太陽引力的作用下,八大行星以及其他大量的小天體都在各自的軌道上繞著太陽運動。太陽的引力十分強大,能夠束縛住數以億計的太陽系天體,使它們不會飛入星際空間或被其他恆星的引力奪走。
那麼,太陽產生的引力可以作用到多遠的地方?
這個問題需要從兩方面來討論,一個是太陽引力的主宰範圍,還有一個是太陽引力的作用範圍。
太陽引力的主宰範圍
太陽引力的主宰範圍是非常有限的,太陽無法把其他恆星系統中的天體直接捕獲過來。同樣地,其他恆星也不會從太陽系內直接捕獲天體。至於太陽引力的主宰範圍有多廣,可以計算太陽的希爾球範圍。理論上,在以太陽為中心的希爾球內,太陽的引力能夠控制其中天體的運動。
關於希爾球的概念可以考慮一下月球、地球和太陽系統。地球的希爾球半徑為150萬公裡,在這個範圍內,如果有天體環繞地球運動,它們不會被太陽的引力吸引過去。月球的軌道半徑約為38萬公裡,所以月球會被地球的引力束縛住。
通過計算,太陽的希爾半徑為1光年(最大可能達到3光年),太陽的引力能夠主宰其中的天體,而這個範圍就是廣義的太陽系大小。在太陽系外層空間中,存在著大量的冰凍小天體,它們被太陽的引力束縛住,形成了奧爾特雲,這些天體不會被其他恆星的引力吸引過去。
太陽引力的作用範圍
雖然太陽的引力主宰範圍只有大約1光年,但它可以與遙遠的天體發生引力作用。那麼,多遠的天體還能與太陽產生引力作用呢?
(1)牛頓的萬有引力定律
根據牛頓的萬有引力定律,無論是4光年外的比鄰星,還是430光年外的北極星,或者是目前位於320億光年外的GN-z11星系,它們與太陽之間都有一個大於零的引力。因為只要天體具有質量,無論分隔多遠,引力作用都不會為零,而且它們之間會瞬間產生引力作用。
(2)愛因斯坦的廣義相對論
另一方面,根據愛因斯坦的廣義相對論,比鄰星和北極星確實會與太陽產生引力作用,但遙遠的GN-z11星系與太陽之間並沒有引力作用。因為天體之間的引力作用不是瞬間產生的,引力傳播速度不是無限快,而是光速。
太陽的年齡大約是46億年,這意味著太陽產生的引力最遠只向外傳播了46億光年。雖然太陽的引力已經傳播到了銀河系之外的星系際空間,但還遠未到達320億光年之外的GN-z11星系。
對於引力傳播速度的描述,究竟誰是正確的呢?
廣義相對論預言,引力必然以光速傳播,而且大質量天體之間的劇烈碰撞能夠產生可以被探測到的時空波動——引力波。如果引力是瞬時作用,就不可能存在以光速傳播的引力波。在2015年,人類首次直接探測到了由兩個黑洞碰撞產生的引力波,這有力地證實了廣義相對論。
因此,太陽存在了46億年,它的引力在宇宙中傳播了46億光年。對於距離太陽不超過46億光年的天體,它們與太陽之間會有引力作用,儘管大都極其微弱。隨著太陽引力的不斷傳播,太陽引力的作用範圍還會變得越來越大。