題:
行星的重力如何將較小的物體推開,否則這些物體將與其軌道相交?
Learner
2020-05-04 11:59:00 UTC
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我在網上閱讀有關矮行星的文章,偶然發現了行星的以下定義:

國際天文學聯合會將行星定義為圍繞太陽公轉,具有足夠的重力將其質量拉成圓形(靜水平衡),並清除了其他較小物體的軌道。

文章在最後一行強調了很多,但考慮到重力是一種吸引力,大行星如何將較小的物體從其軌道上推開,否則它們將相交

我閱讀的文章是: https://www.space.com/amp/15216-dwarf-planets-facts-solar-system-sdcmp.html

清除其他物體的軌道不需要將它們推開。一個小物體可能會墜入地球。在過去的數十億年中,這件事在地球上發生了很多次。
理想情況下,它們墜入其他行星。我們看到了木星[發揮作用](https://worldbuilding.stackexchange.com/a/20042/799),它受到了Shoemaker-Levy 9的影響。(我在WB上的回答是*最少的物理特徵集定義像行星一樣的地球*)
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@Commenters:請注意,此處您會受到巨大的確認偏見。在太空中撞東西非常困難。
文章強調了最後一點,因為這是新創建的矮行星類別(冥王星,穀神星僅命名為2)與改建的行星類別之間的新區分。就我們所能看到的一切而言,行星在其繞太陽軌道的重力作用下占主導地位-而矮行星則沒有
@eagle275:當然,人造的(而且是虛假的:沒有行星實際上已經“清除了軌道”)是完全構成的,因此有些人將有理由聲稱冥王星不是行星。
@AtmosphericPrisonEscape擊中星球並不難,只需讓您的團隊以度量標準工作一半即可:)
@jamesqf-閱讀文獻。這個概念具有三個定義明確的數學量度,所有這些量度都顯示了火星(在清除鄰近地區方面做得最糟糕的行星)與冥王星/穀神星(在做過行星觀測的非行星之間)之間存在多個數量級的巨大差距。最好但仍然很差的清理鄰居的工作。我唯一的抱怨是(1)為這些非行星(“矮行星”)選擇的名稱,(2)行星的定義意味著在行星中有八個行星整個宇宙,以及(3)行星的定義仍然具有圓度的概念。
@Mazura-恆星系統的形成是一個非常混亂且非常低效的過程。形成恆星及其係外行星的初始氣體雲的絕大部分被噴出。據估計,它需要100個太陽質量的氣體雲才能形成與我們的太陽系相當的恆星系統。
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該定義無效:僅出於_demoting__冥王星的目的創建了該定義。它所作出的任意區分沒有科學依據。冥王星是行星,與穀神星不同,因為它通過靜水力平衡來定性,此外,它還擁有三個衛星。他們想將其重新分類為月球或小行星,但對1977年發現它擁有一顆自然衛星感到沮喪(此後又發現了兩顆)。於是他們煮了書。下一步將是“證明”水星也不是行星!兩者都是相似的情況。
@David Hammen:閱讀歷史。整個荒謬的“清除軌道”構想是一個人夢dream以求的,他對克萊德·湯博(Clyde Tombaugh)懷有長期的仇恨。至於科學,沒有理由不應該將那些大型的KBO也稱為行星,這樣就不會存在“問題”。
@AtmosphericPrisonEscape:實際上撞上行星是相當容易的。每天有數百甚至數千個物體設法撞擊地球的大氣層,其中約有17個足夠大,可以撞擊地面:https://cosmosmagazine.com/space/earth-hit-by-17-meteors-a-一天對於“清理軌道”非常重要:-)
@jamesqf-好的!我糾正了! (嗯,不是真的。那隻是諷刺而已。)
@jamesqf-我建議您再次閱讀歷史記錄。我以前一直享有很高的敬意的艾倫·斯特恩(Alan Stern)是與此主題相關的三篇關鍵論文之一的合著者。他的論文表明,我們現在所說的行星和矮行星之間存在著巨大的差距(按他的度量標準,為五個數量級)。當前術語和他的命名法之間的唯一區別是,他想將八個在動態上占主導地位的大天體稱為“超級行星”,將無數個較小的對象(例如冥王星)稱為“超行星”。
任何度量標準中存在多個數量級的差距,這表明該度量標準正在測量實際值。將斯特恩的舊度量與新選擇的度量(圓度)進行比較。無論如何切割,圓形物體和馬鈴薯形物體之間都沒有明確的邊界。儘管馬鈴薯半徑是一個有用的概念,但定義不明確。在沙灘上畫任意一條線,就能找到圓形的較小物體和塊狀的較大物體。
最終,動力學家贏得了辯論,因為(1)所有這三個相互競爭的度量標準都顯示出行星與非行星之間的邊界非常清晰,而地球物理學家沒有任何度量標準可以顯示任何邊界,以及(2)兩者之間的區別行星和非行星主要針對外行社區,作為吸引科學興趣的一種機制。
@jamesfq-冥王星由於對美國人的深深仇恨而被降級的說法很奇怪。比較一下美國人和美國人Tombaugh與Hubble。哈勃發現宇宙膨脹與托姆博發現冥王星是當代的。哈勃的發現意義重大。 Tombaugh的,不是那麼多。冥王星由於18、20年代的穀神星(Ceres),帕拉斯(Pallas),朱諾(Juno)和維斯塔(Vesta)處於同樣的原因而被從星球降級。正如在穀神星發現後40多個小行星被發現一樣,在冥王星發現60多年後又發現了更多的柯伊伯帶天體。
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足夠!冥王星不一定是行星!我們從各個機構了解到,結構的複雜性,地質活動甚至是(可能的)生命根本不需要任何東西來成為“行星”!
@David Hammen:,我認為您很想念這一點。不管有多少個數量級的差異,都沒有比藍鯨和老鼠之間的質量差異〜6個數量級高的任何一個都不能成為哺乳動物。再次,真正的原因僅僅是針對克萊德·湯博的私人仇殺。 (根據任何合理的定義,穀神星都應視為行星:它具有足夠的質量以呈現球形,並且不會繞過另一顆行星運行。)
這是一個非常差的類比,@jamesfq。藍鯨和老鼠之間的質量範圍充滿了許多其他哺乳動物。沒有差距。 Marsden和Tombaugh之間的個人爭吵不是Pluto被降級的原因。那是陰謀思維,而不是理性思維。穀神星也不是行星。圓度是一個可怕的指標,正如繞太陽公轉一樣。擺脫這兩個概念,迄今為止發現的每顆系外行星都可以視為一顆行星。
五 答案:
AtmosphericPrisonEscape
2020-05-04 15:49:46 UTC
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我覺得有必要糾正其他答案中提到的一些問題。

是的,重力是一種僅具有吸引力的力量。
但由於其相對較弱,所以太空中的物體在有機會與任何單個目標相撞之前,可以達到很高的速度。在物理學中,我們會說過多餘的角動量,很難在空間中消除它,但在這裡我會盡量避免使用該術語。
“大速度”的含義可以通過比較矢量速度來表達物體 $ \ vec v $ span>的值,以及該潛在目標的標量逃逸速度 $ v _ {\ rm esc} $ span>。

如果 $ | \ vec v | >v _ {\ rm esc} $ span>,並且軌道相交,那麼人們可以認為我們的身體只經歷了一次由於目標的引力,其初始路徑略有偏離,並且碰撞概率由目標的幾何橫截面確定,即使對於恆星,該幾何橫截面也始終很小。實際上,這是太陽系中的正常情況,而不是其他錯誤的答案。

如果 $ | \ vec v | \ approx v _ {\ rm esc} $ span>,而這些物體幾乎是同軌道的,那麼就很難與軌道相交,並且物體最終將主要圍繞目標圍繞在馬蹄形軌道上或被彈出,另請參見 Murray & Dermott精彩的“太陽能係統動力學”中對該案例進行了詳盡的討論。

如果 $ | \ vec v | <v _ {\ rm esc} $ span>,並且軌道相交,則通常的結果是捕獲了物體在圍繞目標的偏心軌道上作為衛星。同樣,碰撞是極不可能發生的,因為空間的速度範圍非常大。為了精確地擊中目標物體而不使其丟失,必須將速度微調到很小的值範圍。

綜合所有這些,我們可以說
軌道的相交並不意味著碰撞。在絕大多數情況下,清除軌道的工作都是通過擺動而不是通過在清除行星上的積聚來完成的。通過小行星和彗星大量繁殖,因此得以生長。這張圖片似乎是正確的(例如, Raymond等人(2006) Alibert等人(2018)),但需要注意的是:效率極低,大多數小行星/彗星都會錯過年輕的原行星。這就是使具有大型撞擊器的行星難以形成的原因,並且在現代,為了構建陸地,考慮使用替代方法以更小固體的氣體輔助阻力(例如 Morbidelli等人(2015))。太陽系中的行星。

在v << v_esc的情況下,捕獲的衛星是否更有可能最終進入不穩定的軌道,最終該軌道將衰減直到衛星撞擊地球?在行星形成的時間尺度上,這應該在大多數時間發生,對嗎?
@KutuluMike:不,這些概率是根據“小姐”>“命中”>“不穩定軌道”排序的。要捕獲到不穩定的軌道中,甚至需要更精細的速度,因為您將需要進入一個掠過一個軌道的軌道,該軌道掠過幾個標高的厚度薄的大氣環,該環的幾何橫截面仍比地球小。
這只是一種更複雜的說法,雖然_frame-dragging_可能會導致碰撞,但如果對象的接近速度大於行星的逃逸速度,通常會加速對象脫離軌道。假設接近角大於零。
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@KutuluMike-除了速度與答案的逃逸速度部分相比,該答案基本上是正確的。物體與行星體之間的相對速度對行星體影響範圍之外的概念沒有多大意義。進入行星體影響範圍的物體幾乎總是具有大於逃逸速度的相對速度。 (捕獲可能是“清除附近區域”的最困難方法。)相對高的速度意味著結果是碰撞或飛越,後者的可能性更大。
@AtmosphericPrisonEscape-也許將Pioneer 10,Pioneer 11,Voyager 1和Voyager 2進行比較會有所幫助。所有這四個都需要行星的幫助才能達到太陽系逃逸速度。 NASA使用精心計劃的軌跡在幾年內實現了新生的太陽系在幾百萬年中自然實現的目標。
@AtmosphericPrisonEscape,抱歉,我的措辭不好……在v << v_esc案中,您說最有可能的結果是偏心軌道。我的理解(也是我的問題)是,相對穩定的軌道相對難以實現,而且大多數軌道都是不穩定的-要么向內衰減,要么向外彈出衛星。因此,假設沒有大失誤或直接命中,而是假設在較大的時間尺度上被捕獲的軌道,這些軌道最終不會導致碰撞或彈出嗎?
@KutuluMike:如果您查看https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_decay,則末尾會有一個文檔鏈接,該文檔列出了各種衛星隨高度變化的軌道衰減率。在那裡,我採用了“快速衰減”曲線,該曲線是指數曲線,擬合了該曲線,並檢查了在哪個高度上衰減時間就是太陽系的年齡(5.67吉爾)。結果是〜1200 km的高度,大約是外基的高度,即空間。因此,您以小速度遇到的偶然機會必須使其近地<1200 km的近地點才能衰減。這個還有一個小
橫截面相比直接影響。
非常有幫助,謝謝!
Ilmari Karonen
2020-05-05 06:02:18 UTC
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有兩種方法可以使大質量的軌道物體(例如行星)從其軌道附近清除較小的物體。一種顯然是與之碰撞。另一種更常見的方式稱為引力彈弓效果。*

這是許多太空探測器用來獲得(或失去)額外速度從而進一步發展的技巧。

基本上,當較小的物體通過接近行星時,行星的引力將引起該較小物體的路徑。

**從行星的參考系看,小物體將遵循(近似)雙曲線飛越軌跡,以相同的速度(相對於行星)到達和離開

但是,該行星也在太陽周圍的軌道中運動,因此相對於太陽運動。如果小物體在相遇後離開行星附近的新方向恰好指向與行星在其軌道上運動的方向相同,則該物體最終將以與行星相同的方向運動,但速度更快,因此會更快

(相反,如果物體沿與行星相對於太陽的軌道運動的方向相反的方向離開行星的附近,然後相反的速度將(部分)抵消,物體最終將失去速度,從而向內向太陽下落-如果設法失去足夠的速度,甚至可能進入。)


為直觀地說明這一點-一幅通常值一千個單詞的圖片-以下是 Kerbal Space Program的一些屏幕截圖。 (因為為什麼不那麼高興?與現實生活相比,KSP的軌道力學模型略有簡化-它基本上遵循修補圓錐近似法-a,但是對於建模引力彈弓已經足夠了。)

下面的第一個屏幕截圖顯示了一個小行星-在地圖上被神秘地標記為“未知物體”-偶然地(或者更確切地說,通過無恥地使用KSP的作弊菜單)被捕獲到圍繞著Kerbin行星的臨時軌道中, KSP的地球模擬(在地圖的確切中心顯示為深藍色球體)。為什麼為什麼小行星的當前軌道(藍綠色線)只是暫時的***,是因為它非常接近克爾賓兩顆較大的衛星(創造性地命名為“芒”)的軌道導致近距離通過:

Screenshot 1

當小行星經過Mun(橙色線)時,它最終被拋入了(更多或更短的方向與Mun繞著Kerbin的軌道相同,相對於Kerbin而言,它獲得了一堆額外的速度,並且實際上完全從Kerbin系統中彈出(紫色線)。

(在現實生活中,則小行星獲得的額外動量將由芒的相應動量損失來平衡,從而使其減慢得非常非常小。由於芒比小行星大得多,因此減速幾乎可以忽略不計,以至於KSP甚至都沒有嘗試對其建模。)

同時,這與從Mun的觀點來看是相同的近距離傳遞:

Screenshot 2

如您所見,在此參考系中,飛越軌跡看起來相當對稱的:小行星向芒(Mun)墜落(但不那麼直接以至於撞向它),隨著它被芒(Mun)的引力拉近而加速,然後在經過最接近的接近點後開始減速(標記為“ periapsis”)。但是最終結果是,這顆小行星以不同的方向離開了Mun的附近,方向的改變足以使其繞著Kerbin進入完全不同的軌道-在這種情況下,最終將其完全帶出了Kerbin的附近。因此,芒再次清除了這種令人討厭的入侵者的軌道。


*)還有第三種方式,行星和較小的物體最終以軌道共振結束,該軌道逐漸將動量從行星傳遞到較小的物體,而沒有他們曾經非常接近彼此。您可以想到這樣的共振,就像一系列非常輕微的引力彈弓一樣,每個彈弓都使較小物體的軌道在同一方向上越來越遠。 sup>

**)顯然,反之亦然,但是,如果較小的物體比行星小得多,那麼它對行星運動的影響就可以忽略不計。 sup>

***)被捕獲的小行星最終進入如此不穩定的軌道實際上是很自然的:因為在KSP和現實生活中,軌道力學都是時間對稱的,所以如果我們及時追踪小行星的軌道,我們d可能會發現與Mun的另一個較早的相遇,從而使它首先被捕獲到其當前的臨時軌道中。在現實生活中,地球偶爾也會捕獲這樣的臨時衛星,但是它們的軌道也基本上是不穩定的,因為相同的引力相互作用也可以使它們被時間對稱地捕獲。 ,最終讓他們再次逃脫。 (當然,在這種情況下,我實際上是懶惰的,只是欺騙了小行星進入該軌道,而不是等待它被“自然”捕獲)。 sup>

+1在速度相似的情況下,飛越物理學的不錯插圖。您知道KSP使用什麼軌道積分器嗎?這是一個簡單的跨越嗎?
@AtmosphericPrisonEscape:在某種程度上甚至更簡單; KSP將軌道劃分為一系列圓錐(橢圓形/拋物線形/雙曲線)段,並通過解析方式解決這些問題,將結果粘合在一起。因此,術語“補丁圓錐近似”。 (我不確定如何解決軌道相遇以找到補丁點的問題;那裡可能涉及一些聰明的數學運算。)
@AtmosphericPrisonEscape:請參閱https://wiki.kerbalspaceprogram.com/wiki/Sphere_of_influence以獲取解釋。有一個遊戲Principia的mod確實實現了n體物理學(https://github.com/mockingbirdnest/Principia/blob/master/README.md)。
@RoelSchroeven:謝謝。因此,我是否正確理解這一點,即KSP永遠無法解決n體問題,而是當衛星離開地球的SOI時,它繞著太陽的SOI的1體解決方案運行嗎?
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@AtmosphericPrisonEscape:是的(除了股票KSP在虛構的太陽系中起作用,它具有不同的太陽和不同的行星,但是原理是相同的)。假設您離開Kerbin(類似地球的行星)的方式是以接近0(相對於Kerbin)的速度到達其影響範圍的邊界。那時您處於太陽的影響範圍內,相對於Kerbin的速度仍然接近0,而現在相對於太陽的速度為數千m / s(我不知道確切的速度)。這也意味著股票Kerbin不模擬Lagrange點。
@RoelSchroeven:…儘管您仍然可以通過將衛星放置在大約正確的位置並將其軌道周期與共享其軌道的行星/月亮的軌道周期相匹配,而在KSP的L4 / L5周圍獲得看起來像_暈圈的軌道。 KSP偏離現實的地方是,您還可以*±60°以外的任何其他偏移角度*進行相同的操作,因為它不會模擬三體相互作用而破壞了除此以外的其他位置的此類同軌佈置拉格朗日積分。
GdD
2020-05-04 12:44:50 UTC
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地心引力不會消失,只會吸引。在這種情況下,清除的意思是行星體吸引了較小的物體。最終將產生以下效果之一:

  1. 該對象將撞擊較大的表面對像或在其大氣中燃燒,假定它具有一個。這就是多少顆行星在其發展的早期就獲得質量,即它們受到了很長一段時間的撞擊,直到清除了軌道上的碎片,然後物質才沉降下來。
  2. 較小的物體將進入更大的物體,並成為月亮。
  3. 這種情況很少見。
  4. ol>
難道不是給一個小小的身體一個近距離接觸的彈弓,並將其從太陽系中彈出還“清理了它的軌道”嗎? [一些理論認為木星或土星可能已經射出了另一個星球](https://www.popularmechanics.com/space/news/a18006/jupiter-probably-threw-a-planet-out-of-the-solar-system/ )。
好點,看我編輯@Polygnome
是的,到目前為止,這是更重要的機制。碰撞真的不太可能,因為“空間很大”™且無摩擦。確實,行星最初吸收了很多物質,但是那是存在於“原行星盤”中的,該盤中飛散著很多東西,以至於較小物體之間的無彈性碰撞有效地產生了動能吸收。當一個物體確實與諸如Shoemaker-Levy 9的行星碰撞時,通常不是直接碰撞,而是首先低於Roche極限,“非彈性崩解”,然後零件墜落。
Ilmari Karonen似乎給出了令人信服的解釋,說明重力至少是如何將物體推開的,至少在這種情況下,與引起重力的物體相比,推開的物體的質量很小。 “推”是由“旋轉-拖動”原理賦予較小對象的加速度引起的。
抱歉,@Ed999,重力無法推動。有些機制最終會導致較小的物體在相互作用之後從較大的物體移開,但是重力不會推動。
@Ed999-此處無需關注廣義相對論。牛頓引力是解釋恆星系統形成所需的全部。
我在編輯之前對此答案進行了投票,但我的表決仍然存在,因為該編輯似乎是一個很小的附件。進行第三個編輯,將所有內容刪除,直到“大寫”編輯為止,這將使此答案更加正確,但是,與其他更出色的早期答案沒有什麼不同。
我的答案是@DavidHammen,的第一個答案,所有其他答案都是我的答案,是更複雜的答案。我的目標是對一個簡單的誤解的簡單回答,即重力在某種程度上將事物推開了,我想我展示了通過拉力可以清除物體的方法。但是,我認為您的結構不夠好,因此我進行了修改以改進它。
peterh - Reinstate Monica
2020-05-04 13:34:24 UTC
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我們可以假設它們會隨機交換動能。即在一般情況下,根據情況,兩個物體均可獲得或失去動能。

但是,對於較小的物體,獲得或失去相同的動能意味著其速度發生較大變化。軌道取決於速度,而不取決於能量(請記住,兩者都在一個物體的引力場中,兩者遠大於兩者)。

結果是,較小物體的軌道將受到相同變化的影響更大,因此它將遠離較大物體的軌道,反之亦然。

這還不清楚。您是否可以再加上圖表?順便說一句,沒有像“運動”這樣的動物
@CarlWitthoft動能修復,抱歉。有什麼不清楚的?如果物體的重力場中大小物體之間的隨機彈性碰撞遠大於兩者,那麼小物體就會消失。這就是我試圖解釋的。
johnDanger
2020-05-05 23:37:52 UTC
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簡單地說,行星(P)不會像這樣推開入侵者(i): enter image description here

相反,它會像這樣拉動入侵者:

enter image description here

共享行星軌道的所有入侵者通常會在遭遇之前平行於行星行進。因此,假設入侵者並非完美地朝著行星的質心前進(無論如何反而會影響到行星),那麼引力的引力將增加動量,其指向的方向與原始軌道的方向相反(此外

。無論入侵者以哪種方式通過行星(或行星通過),它最終都會產生垂直於垂直方向的附加動量。進入行星的軌道,將其拉出該軌道。

我非常想投票,但是有一個障礙:如果兩個物體共享同一軌道(_所有入侵者共享行星的軌道_),那麼根據定義,它們必須具有相同的速度。因此,在最明顯的水平上,一個不會趕上另一個。大量外部物體可能會帶來無限的複雜性:但是基本原理必須是處於穩定軌道中的物體具有穩定的速度。
在“一個物體必須清除其軌道才能成為行星”的上下文中使用“相同的軌道”。這是指一般的軌道體積(橫截面比物體的橫截面大得多),而不是由物體的質心定義的理想線
如果您以這種方式修改您的解釋,那麼看來,軌道半徑小於行星的物體的行進速度會比行星快,因此會追上它,而軌道半徑較大的物體的行進會更慢,這樣地球就會趕上來。這如何解釋更基本的觀點:任何具有質量的物體(即冥王星)的引力將傾向於破壞其遇到的質量較小的物體的軌道。這如何等於冥王星不清除其軌道?它似乎正在做任何星球的工作。
這不是修改,答案始終是在問題的上下文中。至於其餘的問題,是的,任何有質量的物體都會對它遇到的任何物體(無論它是否更大)產生這種影響,但是只有一個行星被認為具有足夠的主導地位,因此它(及其衛星)會最終成為該軌道上唯一的巨大物體(同樣,該軌道為總體積)


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
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