【宇宙史系列】通俗、生动、形象地科普一下八大行星的形成及其运行定律

来源: 白云蓝天 2022-11-10 01:47:26 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (8933 bytes)
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太阳与“原行星盘”的形成

       行星是伴随恒星形成的。根据星云假说,太阳是由气体与尘埃组成的星云形成。当星云受到扰动时,会引发星云物质的引力汇聚,而最终使得中心部分温度越来越高直至达到核聚变的临界温度时,原始恒星就形成了。在原始恒星的形成过程中,重力塌缩与旋转使得星云逐渐形成圆盘状,于是原始恒星就被一种叫做“原行”的结构所包围,其中包含形成未来恒星系统的所有物质。原行星盘整体的自转,也就是绕原始恒星的公转。这时候,原行星盘和原始恒星组合在一起看,就象一个荷包蛋。

八大行星的形成及其运行机制

       原行星盘是年轻的恒星系统中行星诞生的摇篮。在太阳系最初的几百万年中,在自转过程中,原行星盘中也会出现因引力造成的汇聚,但这个汇聚过程主要是以原行星盘中的尘埃为核心。微小的尘埃颗粒经由不断的碰撞与黏合,形成越来越大的个体。当个体的直径达到大约1公里时,就可以直接用重力吸引周围的物质,更快地形成月球尺度的原行星,然后成为行星。因汇聚形成的新天体会吸引其轨道附近的其他尘埃与气体,直到其轨道附近再无物质可以供其成长。这个过程即行星定义中的“清空其轨道附近区域”。以上行星的形成过程会在原行星盘中不同区域同时发生(宇宙尺度的“同时”,即间隔不超过几十万年),最终在太阳系的原行星盘中孕育出八颗行星与众多晋升行星失败的矮行星、小行星等。由于行星都是在扁平的自转中的原行星盘中形成,所以行星公转的轨道具有共面性、同向性和近圆性三大特点。所谓共面性,是指八大行星的公转轨道面几乎在同一平面上;同向性,是指它们朝同一方向绕太阳逆时针公转;而近圆性是指它们的轨道和圆相当接近。除了以上三个特征,太阳系中的行星及其卫星的运行还具有以下四个共同特征:一、除金星和天王星外,其余行星自转方向也自西向东,即与公转方向相同;二、除天王星外,其余行星的赤道面对轨道面的倾斜都比较小;三、绝大多数卫星的轨道都近似圆形,其轨道面与主星赤道面比较接近;四、绝大多数卫星,包括土星环在内,公转方向都与主星公转方向相同。

开普勒行星运行三大定律

       十七世纪初,德国天文学家开普勒总结了丹麦天文学家第谷·布拉赫的观测结果,提出了行星运行的三大定律:一、行星都沿着椭圆轨道运行,太阳位于椭圆的一个焦点处;二、在行星运行时,在相等时间内永远扫过同样大小的面积;三、行星公转周期(公转一次的时间)的平方与其轨道长半轴的立方成正比。

       行星的运行轨道虽说都是椭圆形的,但这扁的程度非常之小,单凭肉眼是看不出来的。太阳并不在椭圆的中心,而是在椭圆的一个焦点上,焦点与中心的距离用偏心率来表示。除了水星,其他行星的偏心率都也是很小的。水星的轨道偏心率达0.2,其焦点偏离中心甚至能用肉眼看出来,而其扁的程度却只有0.02。

       行星距离太阳越近就运行得越快,在相等的时间内永远扫过完全相等的面积,这是由太阳的引力与行星的离心力之间的平衡所决定的。行星要避免被太阳的引力吸入,就须靠其运行所产生的离心力与太阳的引力达到平衡。打破了这个平衡,行星要么被太阳所吸入,要么就远离太阳而去。由于太阳施加于同等面积的引力是完全相等的,所以行星也必须在同等的时间内扫过完全相等的面积。如此,就发生了行星距离太阳较近时运行得较快而距离太阳较远时运行得较慢的情形。同理,距离太阳越远的行星其运行速度就越慢,所以由近及远的八大行星每秒的平均运行速度各自为:水星47.89公里,金星35.03公里,地球29.78公里,火星24.13公里,木星13.06公里,土星9.64公里,天王星6.81公里,海王星5.43公里。

根据开普勒定律精确地计算出行星的公转周期、公转速度以及行星的距离

       根据开普勒第二定律与第三定律,可以通过对照地球精确地计算出不同距离的其他行星的不同公转周期,进而也就能计算出它们各自的运行速度。行星公转周期的计算方式是:先求出距离的立方数,再求出其平方根。比如,一颗行星距离太阳是地球距离太阳的4倍,其公转周期就为前者的8倍(4的立方是64,64的平方根是8),而其运行速度为前者的1/2。以海王星为例:距离太阳是地球的30.06869倍,其公转周期就为164.79132年(30.06869的立方是27186,27186的平方根为164.9,些许误差应是由海王星本身所大于地球的质量造成)。也可以将上述的计算顺序倒转过来,即先获得行星公转周期的数据,再根据这个数据计算出其距离太阳的里程。

根据开普勒定律精确地计算出行星的质量

       根据开普勒第三定律,可以通过(拥有卫星的)行星距离太阳的公里数精确地计算出其质量。计算方式是:先求出太阳与行星的各自商数,再用太阳的商数除以行星的商数,得出两者的质量之比,进而计算出行星的质量。太阳商数 = 行星距离太阳的公里的立方 ÷ 行星公转周期的天数的平方;行星商数 = 卫星距离行星的公里的立方 ÷ 卫星公转周期的天数的平方。所有行星的太阳商数只有略微的差异,而所有卫星的主星商数也应相差无几。

       以地球为例:太阳商数 = 3347930000000000000000000(地球距离太阳149597887.5公里的立方)÷ 133412(地球公转周期365.24219天的平方)= 25095000000000000000,地球商数 = 56800000000000000(月球距离地球384400公里的立方) ÷ 746(月球公转周期27.32天的平方)= 76140000000000;25095000000000000000(太阳商数)÷ 76140000000000(地球商数)= 329590(太阳为地球的33万倍)。

       再以木星为例:太阳商数 = 471905280000000000000000000(木星距离太阳778547200公里的立方)÷ 18771336(木星公转周期4332.59天的平方)= 25139700000000000000,木星商数 = 1230542000000000000(木卫三距离木星1070400公里的立方)÷ 51(木卫三公转周期7.1545296天的平方)= 24128000000000000;25139700000000000000(太阳商数)÷ 24128000000000000(木星商数)= 1042(太阳为木星的1040+倍)。

 

开普勒第二定律:行星在相等的时间内永远扫过同样大小的面积

 

八大行星在太阳系的位置及其相互之间的距离

 

太阳与八大行星体积之比

 

八大行星体积之比

 

请另参考:【宇宙史系列】通俗、生动、形象地科普一下宇宙大爆炸过程

https://bbs.wenxuecity.com/memory/1555462.html

 

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