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1 # 刁博
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2 # 章彥博
我們先來看一張圖:
這是一個恆星 - 行星系統的引力勢能圖。知道這個,有什麼用呢?我們首先要知道,勢能是什麼?引力勢能,通常定義無窮遠處的勢能為零,那麼,將一個質量,從無窮遠處,移到某一點,所需要做的功,就是這一點的引力勢能。也就是說,從引力勢能低的地方,移到引力勢能高的地方,需要外界的推動,也就是「做功」。反過來,一個處於高引力勢能的系統,會傾向於移動到低的引力勢能狀態。
我們看看上圖,如果在行星的正對面,還有一個行星。那麼,不論是向哪個方向移動,其引力勢能都是下降的。唯獨在正對面,可以保持平衡。這是什麼意思呢?就相當於在球上立著另一個球!這是非常不穩定的平衡,只要稍有擾動,就會自動的倒向勢能更低的狀態。
而擾動是無處不在的,所以這樣的系統幾乎無法形成。即使存在,在更長期的時間中,也會更容易消失。
我們可以做一個更嚴格的計算。計算他們的相互作用能:很顯然,恆星的相互作用能與兩顆行星的位置無關,那也就不做計算了。
一開始的時候,兩顆行星正對著面,也就是橫座標pi的地方。很顯然,任何的擾動,都會讓系統滑向角度為零的「深淵」。也就是說,任何的擾動,都會使得兩顆行星相撞。所以,這樣的系統是極度不穩定的,通常無法觀測到。
地球繞日公轉軌道上沒有第二顆行星,但這並不妨礙其他行星的軌道上還有題主說的共軌行星。
先舉一個簡單的例子,地球的同步衛星都是在赤道上方的同一個軌道上,它們繞地球公轉的週期等於地球自轉的週期。所有的地球同步衛星都有著共同大小的線速度、角速度、公轉週期,在同一個軌道上運動不會撞到一起。
在一些宣揚神秘主義的書籍中經常能夠見到一種說法,說在太陽背面的地球軌道上還有一顆“孿生地球”,因為孿生地球和地球在同一個軌道上,故公轉週期和地球的一樣,會永遠被太陽擋住,地球上看不到。這個說法加了一點點的科學元素,但也是加了一點點科學元素的胡說八道。人類的探測器沒有探測到這顆星球的存在。
在其他行星的軌道上,真的還發現了題主說的共軌行星。這裡先要了解一個概念:拉格朗日點。
以地球繞日轉動為例,在地球和太陽組成的系統中能找到五個容易達到穩定的點,如果在這樣的點上放一個人造天體或本身就存在一個天然天體,這個天體的軌道不會容易發生改變。這五個點就是上圖中的L1、L2、L3、L4、L5。從圖中可以看到,L1、L2、L3是和太陽地球在一條線上,其中L3就是傳說中的“孿生地球”所在的位置。除此之外還有軌道上的L4和L5。在地球的拉格朗日點上沒有發現天然天體,木星的拉格朗日點L4、L5上卻發現了小行星。這樣的小行星就是和木星同軌道、同線速度大小、同公轉週期。