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潮汐力与轨道共振
发布时间:2025-11-30
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塑造太阳系图景的两个机制:潮汐力与轨道共振
塑造太阳系图景的两个机制潮汐力是太阳系中的重要现象。星体的轨道会受到被称为“引力源”的另一个更大星体的万有引力影响,而潮汐力会修正这一影响。星体靠近引力源时,吸引力要稍强一些,而远离它时,吸引力则会变弱,潮汐力由此产生。星体因此在引力源的自转轴上被拉长。

这种作用力有很多的后果。距离近到一定程度时,这种拉长会导致星体的解体。使星体解体的距离极限被称为洛希极限(名字来源于1850年把这一极限理论化的法国天文学家、数学家爱德华·洛希)。

超出这个极限,星体的凝聚力还在,但潮汐力会不断地让星体变形,引起内部的能量消耗。最极端的例子就是围绕着木星的木卫一伊奥,潮汐力消耗了它大量的能量,让它发热,引起了星球上众多持久的火山活动。潮汐力就像一种摩擦力,让星体的自转逐渐放缓,直到它开始同步自转,永远以同一面对着引力源。这是一种平衡结构,能将潮汐力带来的变形减至最小。由潮汐力作用的同步自转现象在太阳系中很普遍。

比如地球上的人观察到的月亮永远都是同一面,从地面看不到月亮“隐藏的面孔”。火星的两颗卫星火卫一福博斯和火卫二戴摩斯之于火星,冥卫一卡戎之于冥王星也是这样。苹果核心放缓的效果是相互的,这就是为什么地球自转的速度会因为月球每100年都放缓2/1000秒,而冥王星和它的主卫星冥卫一同步自转,彼此朝向对方的都是同一面。但潮汐力也会作用于星体的轨道。

如果星体的轨道周期小于引力源(比如火卫一,它环绕火星旋转的速度快于火星自转的速度),由此产生的力量会让星体慢慢地靠近引力源。因此火卫一差不多1000万年后会解体形成一个光环。与此相反,如果星体的轨道周期大于引力源,星体会远离引力源,比如现在的月亮之于地球,火卫二之于火星。

这种潮汐力机制完全作用于行星的天然卫星,因为它们中的大部分都是与行星同步自转的。在天体力学中,环绕着彼此旋转的两个星体,互相受到周期性引力影响,会产生轨道共振,一般是因为它们运行轨道的公转周期成简单整数比关系(如果这两个整数很小的话效果会更明显)。在天文史上,是皮埃尔-西蒙·拉普拉斯发现了四个伽利略卫星中有三个产生了轨道共振,共振率为1:2:4,也就是说木卫三伽倪墨得斯环绕木星一圈的时间内,木卫二要绕木星两圈而木卫一则是四圈。

它们之间的共振很稳定,太阳系中还有许许多多这样的例子。比如,冥王星和海王星的共振是3:2,还有一大批柯伊伯带天体也和海王星有轨道共振。

但这种共振有时并不稳定。天文学家丹尼尔·柯克伍德发现主带上距太阳某些特定距离的地方几乎没有小行星分布。他证实了这些空隙之所以出现是因为那里的轨道与木星的轨道有轨苹果核心道共振,正是这颗巨行星引发的规律性小扰动把那些不稳定区域的小行星排挤掉了。另外,卡西尼环缝被拉到土星光环上就是因为它与土卫一美马斯有2:1的轨道共振,而恩克彗星被拉到土星光环上是因为它与土卫十八潘有1:1的轨道共振。轨道共振和潮汐力是两种相互关联的机制,潮汐力引起了轨道偏移,而轨道共振会将这种偏移固定化。

这两种机制基本塑造了太阳系图景。