问伊森:彗星轨道为什么不同于行星轨道?


星际小行星1I / Oumuamua (aka A / 2017 U1)的标称轨迹。 该计算基于2017年10月19日开始的观察结果。 请注意,行星的轨道(快速旋转并成圈),柯伊伯带的天体(椭圆形,几乎共面)和该星际小行星的轨道是如何不同的。

几百年前就已经给出了行星如何在太阳系中沿轨道运动的问题的正确答案:首先是开普勒(Kepler)(其运动定律描述了它们),然后是牛顿(Newton),其万有引力定律可以推论出第一个。 但是,既来自太阳系又从远处飞来的彗星不会沿着相同的,几乎是圆形的椭圆运动。 为什么会这样呢? 我们的读者想知道:
为什么彗星沿着抛物线路径绕太阳运动,而不像行星沿椭圆轨道运动? 从奥尔特云到太阳再返回,彗星从何而来呢? 星际彗星和小行星如何飞出其行星系统并拜访他人?
这个问题可以回答,但是还有一个更普遍的问题:为什么物体以这种方式在轨道上运动?


太阳系的行星与来自小行星带的小行星一起,在接近圆形的椭圆轨道中几乎在同一平面内移动。 但是在海王星的轨道之外,一切都变得不那么可靠了。

我们的太阳系中有四个内部岩石世界,其次是小行星带,带有一堆卫星和环的气体巨人,然后是柯伊伯带 。 在柯伊伯带的后面,有一个巨大的分散盘,然后是球形的奥尔特云 ,它延伸了很长的距离:可能是一两个光年,几乎是距离最近的恒星一半的距离。


太阳系的对数图,直到最近的恒星,都显示了小行星和奥尔特云的柯伊伯带的扩散。

根据重力定律,为了处于一定大小的稳定轨道中,物体需要以一定速度运动。 系统的势能(以重力势能的形式)和运动的能量(动能)之间必须达到平衡。 您在太阳的潜在引力井中越深(也就是说,您离它越近),拥有的能量就越少,并且需要更快地移动来保持稳定的轨道。


太阳系和太阳的八个行星,按一定大小而不是按轨道直径大小。 在肉眼可见的所有行星中,最难看到的是水星。

因此,行星的平均速度如下所示:

  • 水星:48 km / s
  • 金星:35 km / s
  • 地球:30 km / s,
  • 火星:24 km / s
  • 木星:13 km / s,
  • 土星:9.7 km / s,
  • 天王星:6.8 km / s,
  • 海王星:5.4 km / s。

由于形成太阳系的环境-许多小质量块合并在一起,彼此相互作用,产生大量质量块-当前的情况已接近循环。


内部太阳系行星的轨道并不完全是圆形的,而是足够接近圆形。 大多数偏离了水星和火星的理想。 此外,行星离太阳越近,移动所需的速度就越快。

但是必须考虑到以后发生的重力相互作用! 如果小行星或柯伊伯带天体经过诸如木星或海王星之类的大质量附近,则重力相互作用可以使其产生良好的反冲作用。 这将大大改变其速度,几乎在任何方向上都增加几公里/秒的速度。 就小行星而言,这可能意味着轨道从几乎圆形变为非常椭圆形。 一个很好的例子就是恩克彗星的路径,它可能来自小行星带。


恩克彗星的轨迹在3.3年内完成了一次完整的革命,它是分布在偏心椭圆上的极其快速的机芯。 恩克成为继哈雷彗星之后发现的第二颗周期性彗星。

另一方面,如果您距离很远,例如在柯伊伯带或奥尔特云中,我们能够以4 km / s(柯伊伯带的内部)的速度移动到每秒几百米(对于奥尔特云)。 与像海王星这样的大行星的引力相互作用可以两种方式之一改变您的轨​​道。 如果海王星从您身上获取能量,您就会被抛入太阳系内部,并出现一个长周期的椭圆,类似于创建珀塞德流星雨的Swift-Tuttle的路径。 它可能是与太阳几乎没有重力连接的椭圆,但仍然是椭圆。


与任何行星轨道相比,斯威夫特·塔特尔彗星的轨道危险地靠近地球绕太阳运行的轨道,其椭圆形极为椭圆。 据推测,很久以前,它的轨道受到了与海王星或另一个巨大天体的引力相互作用的影响,其结果就是我们今天所拥有的。

但是,如果海​​王星或其他任何物体(我们仍然不知道太阳系边缘的物​​体)为您提供了更多的动能,它就会使您的轨道从重力约束的椭圆形变为非附着的双曲线。 (抛物线轨道是一条位于椭圆和双曲线边界上的不受限制的轨道)。 如果有人记得ISON彗星从2013年起靠近太阳,它在接近恒星时会分解,那么它就处于双曲线轨道。 通常,来自太阳系远端的彗星每秒到连通轨道和未约束轨道之间的边界缺少几公里。


进入太阳系的ISON彗星获得了远离太阳的尾巴。 她“碰触”了太阳,只走了200万公里,后来由于如此接近,太阳分手了。

对于大多数人来说,最奇怪的事实似乎是直觉,那就是彗星不需要大量的能量就能进入太阳系的内部! 如果您拿了一个距离太阳只有一光年的物体,并且放开它,那么在相当长的时间内,它只会落在太阳上。 遥远质量的速度矢量在太阳系周围绕轨道运动时,很小的变化就会将它们推近。 这样的引力碰撞是偶然发生的,但是我们只能看到那些开始移动得更快,更靠近太阳,形成“尾巴”并且变得足够明亮以至可见的物体。 所以彗星来了。


柯伊伯带是太阳系中大量已知天体的所在地,但在更暗,位置更远的奥尔特云中,有更多的天体,而且更有可能被质量恒星从正常轨道上撞倒,例如另一颗恒星经过。 柯伊伯带和奥尔特云的物体相对于太阳的速度非常小。

他们中的大多数人要么勉强相连,要么就没有一点重力联系,这就是为什么A / 2017 U1成为如此惊人的发现的原因。 与普通的彗星和小行星不同,它在重力作用下非常不连贯。 并且,如果来自太阳系边缘的物​​体以不超过几公里/秒的速度运动,则该物体以超过40公里/秒的速度运动。 他一定不能离开太阳系,因为即使海王星也没有足够的质量来加速它!


/ 2017 U1很可能来自星际空间。 他最接近太阳,于9月9日到达。 彗星以44 km / s的速度移动,被引导远离太阳系之外的地球和太阳。

是什么使彗星,小行星,太阳系外的另一个物体进入相似的轨道? 只是引力,以及引力存在期间发生的所有引力相互作用。 太阳系的物体绕太阳绕椭圆轨道运动。 但是引力相互作用可以改变这种情况,可以通过改变椭圆的形状,也可以将椭圆变成无关的引力双曲线。 无论如何,如果仅将其投射到太阳附近,我们将看到这样的物体,这是我们发现所发现的所有彗星存在的唯一方法。


彗星的尾巴不能完全重复运动的轨迹,而是沿着从太阳直射或弯曲的路径发送,这取决于从物体吹走的东西-离子或尘埃颗粒。 无论如何,彗星-反射光的尾巴- 昏迷 -仅在它们足够靠近太阳时才对我们可见。

从太阳系中抛出的彗星和小行星飞越星际空间,有一天它们将经过其他恒星。 由于星系中恒星的相对速度约为10-30 km / s,因此这些星际石头将以这种方式移动,这解释了为什么我们发现的星际小行星移动得如此之快。 一切都解释了初始轨道,引力相互作用以及太阳系通过星系运动的结合。 从小行星带,柯伊伯带或奥尔特云中获取物体的能量,您将创建一个椭圆形,该椭圆形更附着于太阳。 当给物体一个能量加速时,它会被扔掉。


现在,我们相信我们已经了解了太阳和太阳系的形成方式,这种观点说明了形成的早期阶段。 今天,我们只有在此过程中幸存下来的那些对象。

由此可以得出什么结论? 随着时间的流逝,太阳系中剩余的物体越来越少,小行星带,柯伊伯带和奥尔特云中的物体数量一直在减少。 随着时间的流逝,这些形式变得越来越稀少。 谁知道一次有多少个物体? 数不清是不可能的。 在太阳系中,只有幸存者可供我们使用。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN411567/


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