恆星或行星吸引力是如何與衛星的離心力達到平衡的?

雷音震震


這就是速度。引力與速度的關係是宇宙中達成運動平衡的基本規律。

牛頓的經典力學認為,自然界中任何兩個物體都是相互吸引的。引力大小與這兩個物體的質量乘積成正比,與他們距離的平方成反比。這就說明了恆星或行星之間的相互吸引都是受質量、距離的影響。

這樣就得到了萬有引力的計算公式,即引力常量乘以兩個物體質量的乘積除以它們距離的平方。(見下圖)

太陽系裡目前已知有8顆大行星,5顆矮行星,173顆衛星(據說最近又發現了木星新的衛星,暫未統計在內),和無數的小行星、彗星、星雲物質。太陽帶著這個大家族,按部就班各得其位。

雖然會有個別不按規則出牌的小行星偶爾脫離軌道製造點麻煩,絕大多數還是穩定的運行著,就這樣,幾十億年過去了。

這種平衡是怎樣做到的呢?時空通訊認為這裡面有兩個規律:一個是歸結於太陽系的起源;二是引力與速度的平衡。

愛因斯坦廣義相對論認為,引力的根源是具有靜止質量的天體對時空的扭曲。

凡有靜止質量的天體都會對周邊的時空造成擾動,小到一隻螞蟻,大到一個星系都是這樣。不過小的物體影響極其微弱,很難測量,而且對觀察和生活影響都不大。大的天體就比較明顯了。

大質量天體對時空的擾動表現在對周邊時空造成凹陷或漩渦,現在科學界常常用網或者床單來比喻平坦的空間。

在一張繃緊的網或者床單上,如果放上一個比較重的鐵球,就會把床單或者網壓出一個凹陷,經過其附近有一定速度的小球就會沿著這個凹陷的邊緣做螺旋運動,最終下落到大鐵球上面。

在現實中,兩個天體這種運動就表現出了互相吸引的現象,這就是萬有引力的本質。

這樣就產生了速度與引力的關係。

這個關係在地球上用三個宇宙速度表示,是根據地球與太陽的質量距離關係確定的。

我們依然用上述那個平坦網或床單為例,當接近大鐵球的小鐵球速度比較小時,就會沿著凹陷的邊緣螺旋下墜到大鐵球上;但小鐵球速度比較快時,就會沿著大球凹陷的邊沿切線逃出,滾向的遠方;當速度不大不小就會在凹陷的邊緣作圓周運動,不離開也不掉下去。當然這個實驗做不了多久,小鐵球速度就會慢下來,然後不可避免地掉入凹陷中。

這是因為鐵球在網上或者床單上滾動有很大摩擦力,也有空氣阻力,所以沒辦法一直堅持不大不小的速度。而在太空中,沒有阻力也沒有摩擦力,只要達到一個速度就會一直按照這個速度運動下去。

這種速度是多少呢?科學家早就給出了答案。在地球上,第一宇宙速度為每秒鐘7.9公里,為環繞速度,達到這個速度,物體就會圍繞著地球運行,既擺脫不了地球的引力,也不會被引力拉向地球懷抱;第二宇宙速度是脫離速度,每秒鐘為11.2公里,達到這個速度就可以脫離地球引力,飛向遠方;第三個速度就是逃逸速度,每秒鐘為16.7公里,這個速度是在地球這樣與太陽的距離,逃脫太陽引力飛出太陽系的速度。

但這並不是地球本身相對太陽的速度,而是地球上物體與地球的引力和速度關係。

太陽系的所有行星都是在太陽引力下一定距離軌道上按照環繞速度運行著,它們的速度與太陽距離密切相關,距離越近的行星速度就越快,距離越遠的就越慢。

八大行星距離太陽按照從近到遠公轉速度分別是(公里/秒):水星47.89、金星35.03、地球29.78、火星24.13、木星13.06、土星9.64、天王星6.81、海王星5.43。這個速度完全吻合萬有引力定律。


至於這個速度為啥不快不慢,八大行星都正好是環繞速度,這應該與太陽系的形成有關。

太陽系和宇宙所有恆星形成的規律是一樣的,都是起源於一團巨大的分子云,在中心引力的作用下導致星雲的坍縮,向中心集聚,漸漸形成了一個旋轉著的星雲盤,也就是引力漩渦。

隨著坍縮的加速和中心密度的遞增,一顆恆星星胚就就在星雲中心形成了,在中心巨大的壓力和高溫下,熱核聚變發生了,熱核聚變巨大的張力抵消了引力坍縮,恆星就進入了主序星階段。

太陽系中的老大太陽,在形成時就吸取了整個星雲的99.86,而其餘的星雲殘渣就逐漸聚集成了八大行星、矮行星、衛星等,它們保持了太陽系形成時星雲漩渦轉盤角動量。

在太空環境無阻力的真空狀態,它們就這樣一直保持著這種狀態。

雖然行星從形成初期到現在的角動量有了一些變化,一些行星的軌道變遠了,但它們隨著距離的變化而受到引力的制約,角動量也隨之減小。

這就是太陽系以及行星與衛星之間保持引力與離心力平衡的內在規律。

這種星體質量與距離的運行規律不但在太陽系,在星系以及總星系團乃至整個宇宙都遵循著這個規律。

太陽表面的逃逸速度為每秒617.7公里,太陽圍繞著銀河系中心轉動,公轉線速度為每秒鐘約250公里,銀河系屬於有50個星系組成的疏散本星系群,一起圍繞著本超星系團中心運行,公轉一週需要1000億年。其線速度由於參照系較為複雜,目前尚無一個準確的數據,有人測算每秒約600公里。

整個宇宙就是這樣運行著的,宇宙中有幾千上萬億個星系,都是在這種規律中運行。

當然也有因種種原因不按規則出牌的少數個案,比如在銀河系就發現幾顆運行極快的恆星,其中一顆名為US708的自由恆星以每秒1200公里的速度向銀河系外飛去,科學家給出的原因是銀河系中心強大的引力場撕裂雙星,一顆被黑洞吞噬,另一顆被快速拋離。

總之,引力表現為向心力,速度表現為離心力,宇宙中各恆星系、星系、星系群、超星系團引力與速度達到某種平衡,各安本分各司其職生生不息就是宇宙運行的基本規律。

除了可見部分,暗物質暗能量也在其中起著至關重要的作用。

這就是時空通訊對這個問題的看法,歡迎點評。感謝支持關注和理解。


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