盡管有時彗星或行星碰撞會帶來一些危險,但我們的太陽系其實是個很棒的安定之所,只要太陽還在,它的八顆行星就會不出意外地在自己的軌道上平穩運行。但是整個太陽系都是如此嗎?在篩選了伊森說的諸多問題和建議后,我選出了這個由迪·赫利提出的出色的問題:
太陽系中的兩顆行星有沒有可能共用同一個軌道?
這確實是個很好的問題,而且在我們的太陽系有跡可循。
根據國際天文聯合會的說法,一個軌道體需要具備三個特征才能稱之為行星:
它需要具備靜水平衡,或者有足夠的重力把它拉扯成球狀(再加上任何旋轉效應都會使其變形)。
它需要圍繞太陽而不是其他的天體旋轉(像是圍繞其他的行星旋轉)。
它需要清除其運行軌道上的其他行星小數或者行星競爭者們。
嚴格來說,這個定義的最后一項就已經排除了兩個行星共用一個軌道的可能性,因為一個軌道上如果有兩顆行星的話那么就不能算清除。
但為什么要擔心技術上的定義呢?讓我們來想想兩個像地球一樣的行星是否有可能共用一個環繞著他們恒星的軌道吧。關于共用軌道最大的擔憂當然是關于引力,引力可以通過兩種方式摧毀一個雙重軌道。一種是通過引力的相互作用將其中一個行星狠狠踢走,把它送去太陽或者離開太陽系,另一種是兩個行星之間的引力吸力會使他們互相融合,導致一場壯觀的大爆炸。
事實上,后一種情況在太陽系還只有數千萬年的時候就曾在地球身上發生過。這場爆炸導致了月亮的形成,而且很可能在地球表面引起了一次重大的重鋪事件。
占用完全相同運行軌道的兩顆行星并不會運行的很好,因為在這種情況下沒有真正的穩定性。你最多只能寄希望于一個準穩定的軌道,技術上來說,在無限的時間尺度上一切都是不穩定的,但你可以在上述的兩件壞事發生之前獲得長達數十億年的穩定格局。為此,我想介紹一個概念給你:拉格朗日點。
如果你只考慮太陽和單個行星這兩個質量體,會有5個點(被稱為拉格朗日點),每個周圍都是太陽和這個行星之間的引力作用相互抵消的地方,在拉格朗日點上三個天體將永遠在穩定的軌道上運行。不幸的是,這些拉格朗日點中只有L4,L5兩個點是穩定的,任何在其他三個點(L1,L2和L3)開始的天體運動都會運行出軌道,最終以與其他行星碰撞或者被彈出軌道收尾。
但L4和L5是小行星聚集的點。在龐大的氣體世界中有數以千計的小行星,甚至地球自己也有一個:3753號行星克魯斯尼,它現在就在我們地球的準穩定軌道上運行。
盡管在十億年的時間刻度上這顆行星算不上特別穩定,但對于兩個共用同一軌道的行星來說,這絕對是一種可能的類似情形。還有一種可能是與地球/月亮星系(或是冥王星/卡隆星系)很像的二元行星,不同之處在于兩個星體間沒有明確的“勝者”來決定誰是行星誰是衛星。如果你發現一個星系中的兩顆行星質量或大小相當,僅僅相隔一小段距離,那么這個星系就可以被稱為二元星系或雙行星星系。最近的研究顯示這種情形事實上是可能存在的。
但還有一種方法可以達成共用軌道的情況,這種方式是你之前不覺得會穩定的運行方式:那就是兩個行星在分開的軌道上運行,一個在另一個的軌道內部,當內部軌道超越外部軌道時行星之間可以實現周期性的交換。也許你覺得這太瘋狂了,但是我們的太陽系中就有這樣的例子,土星的兩顆衛星,土衛十一和土衛十就是這樣的。
每過四年,不管哪個衛星在內部軌道(距離土星更近)超越了外部的衛星,它們之間的引力都會把內部的衛星向外拉,同時外部衛星向內部移動,它們就會實現軌道交換。
在過去的25年中,我們觀測到了不少這兩個衛星共舞的情形,到目前為止,我們可以斷定這樣的格局在太陽系的有生之年都一直穩定存在著。換句話說,我們完全可以想象在我們星系中的其他地方也有以這種方式穩定運行的兩顆行星(而不是衛星)的星系。
不幸的消息是,至少對現在來說是不幸,在我們的恒星周圍,那些已經被發現的數以千計的行星中還沒有任何二元行星的候選者。(你可能在數年前聽說過一個,但這種說法已經被收回了。)當然,我們的技術也還沒有進步到探索系外行星的衛星的程度,但我們對它們在那里的存在滿懷著期待。
現實情況是這些共享軌道的情形在預期中是很少存在的,但沒少到我們永遠發現不了的程度。如果有一個更好的尋星望遠鏡,在10年時間內,我愿意打賭我們可以在一百萬顆星星中發現所有上述三種共享軌道的例子。引力定律和仿真實驗告訴我們這樣的星系是存在的,唯一需要我們做的就是去發現它們。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3. forbes- Dylan
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