为什么行星的轨道是椭圆形而不是圆形?

在人类历史上,日心说的早期模型将太阳系内行星的轨道设定为圆形,后来被证明是错误的。但时至今日,很多人还是这么理解。当你和一些人谈论太阳系中行星的轨道时,他们脑海中仍然会画出一组同心圆,以太阳为中心,其他行星以太阳为中心,在完全圆形的轨道上运行。不知道为什么还有那么多人对太阳系有误解。

日心说早期的太阳系模型看起来简单,整洁,一目了然,确实有助于理解。可惜,其实是错的。太阳系和大多数其他星系中行星的轨道实际上是椭圆形的,而不是圆形的。按说,行星的轨道受太阳引力、自身惯性和质量的影响,而这些都是重复的模式,应该是圆形轨道。为什么都变成椭圆轨道了?让我们一起来看看吧。

如果行星想要形成一个相对固定的轨道,就必须通过某种方式进行控制。轨道背后的基本原理是,两个大质量的天体会因为引力而相互吸引,从而影响它们的运动行为。通常,我们会看到一个小质量的天体围绕着一个质量大得多的天体运行。大质量天体看似相对静止,小质量天体看似以固定的、重复的路径绕其运动,我们称之为其运动轨道。为了准确理解轨道,我们不得不考虑两个天体的能量会如何影响轨道。

行星通常有四种可能的轨道。以我们的太阳为例。当天体接近太阳时,根据其能量和轨迹,它将遵循四种可能的轨道路径之一:螺旋、双曲线、椭圆或圆形。

螺旋轨道:这个轨道不会存在很长时间。从字面上可以看出,这个轨道不是固定的,而是变化的。如果一个小质量的天体靠近太阳,当它自身的引力、速度和离太阳的距离不能与太阳引力达到平衡时,它就不会稳定下来,或者它会在螺旋轨道上离太阳越来越近,最终撞击太阳,或者它会在绕太阳旋转一定次数的螺旋轨道上获得足够的加速度而逃逸。

双曲线轨道:双曲线轨道和螺旋轨道一样,不是固定的轨道,但是可以理解。双曲线轨道的天体可以分为两种情况。一个是它以非常高的速度运动,另一个是它离太阳足够远。当这样的天体靠近太阳时,由于太阳引力的影响,它的运行方向会发生弯曲,但由于它的速度或距离足够大,它可以继续超越太阳,而不会被拉入重复的轨道。绕太阳画了一个类似U形的双曲线轨道后飞走了,但因为太阳的引力,飞行方向发生了变化。如果这个天体慢一点,或者离太阳近一点,就会变成上面说的螺旋轨道。

圆形轨道:它是最完美的轨道,也是大多数人心目中的轨道,因为它很容易理解,也很容易在脑海中想象出来。诚然,有些行星已经形成了近乎完美的圆形轨道,但离真正的圆还有差距。很难形成完美的圆形轨道。条件也必须是绝对完美的,即进入系统的天体之间的相互作用应该在一个绝对没有偏心力的轨道上刚好稳定。这种可能性是有可能的,但是非常少。我觉得这种轨道比在双星系统中更容易实现,因为没有第三方引力的影响,在长期的运行调整下可能会出现。

椭圆轨道:这是所有恒星系统中最长的轨道,也是太阳系中所有行星的轨道。为什么椭圆轨道更常见?这是因为一个恒星系统的组成往往非常复杂,天体之间存在着某种相互作用。当一个天体太小或太慢而无法脱离太阳,但又不会被吸进太阳时,它会慢慢地在一个重复的椭圆轨道上运行,这在很大程度上与形成它的原始能量和轨迹有关,同时也受到围绕恒星运动的其他天体的引力影响,这样它的轨道就不会完美,也永远不会形成一个完整的圆形轨道。

天体高速经过太阳时,会受到太阳引力的影响,向太阳靠近,轨迹会发生弯曲。天体上的这个力也可以理解为太阳的引力。但是天体本身在高速前进,现在又多了一个太阳引力。当轨道改变时,它的速度也增加。此时它实际上是以更快的速度领先,也就是说,太阳引力不仅改变了它的轨道,也改变了它的速度。这就是重力加速度,也叫重力弹弓效应。这个速度让它刚好越过太阳,不会落到太阳上。由于天体远离太阳,速度不会再增加,但太阳引力大,所以天体不断受到太阳引力的影响,最后被拉回来,穿过太阳后抛出,再被拉回来。经过一段时间,最终达到一个平衡点,形成一个稳定的椭圆轨道。

要形成稳定的椭圆轨道,需要很多因素,其中惯性力和引力要结合得非常巧妙,这样它才不会落入太阳,才不会逃出太阳系。经过长时间的调和,最终会形成稳定的椭圆轨道。但是轨道很容易受到外界因素的影响,比如不规则的接近和与其他行星的距离,会引起一些微小的变化,所以形成圆形轨道是非常困难的。

当然,没有其他天体影响的干净的双星系统也能形成这种圆形轨道。