地球真的在绕着太阳转吗?太阳系所有天体共同围着转的那个“圆心”,又究竟落在哪里?
如果连庞大的太阳都会被行星拽得来回晃动,我们从小背熟的那条天文常识,是不是该换一个更精确的说法?
从上学起,课本就告诉我们:太阳是太阳系的一家之主,八大行星排着队围着它转,地球也年复一年绕着太阳公转。
这条知识常和昼夜交替等自然现象放在一起讲解,几乎是每个人最早接触、也最深信不疑的天文常识。
然而,如果用科学家的眼光更严格地审视地球此刻在太阳系中的运动,就会得到一个出人意料的结论:严格来说,我们的星球眼下并不是在绕着太阳公转。
那个真正被所有天体围着转的点,此刻正悬在太阳的“身子”外面。
这并不是要推翻课本,更谈不上有人存心“骗”了我们,而是把“绕着什么转”这个问题问得更精确。课本给出的是一个足够好用的大概,科学家追问的则是其中细微的偏差。要弄清其中的门道,得先从太阳与行星之间的引力关系说起。
在太阳系里,太阳是体积和质量都最大的天体,单是质量就达到木星的1048倍,而木星本身已经是行星中的“巨无霸”。正因为太阳如此庞大,人们很自然地认为,它稳稳坐镇中央,其余天体都只能围着它打转,自己却纹丝不动。
但引力从来不是单向的。万物之间都存在引力,你此刻站在地面上,其实也在用自己那点分量把地球往回拉一丝丝,只是人太轻,地球几乎毫无反应。太阳与行星之间同样如此:太阳用引力拽住地球,地球也以同样大小的力回拽太阳。
区别只在于效果。太阳质量巨大,地球那点拉扯落在它身上,产生的位移微乎其微;同样大小的力作用在地球上,却足以让地球沿着轨道一圈圈奔跑。
谁沉,谁就晃得少;谁轻,谁就被拖着多走几步。效果小,并不等于不存在。美国国家航空航天局(NASA)在解释开普勒第三定律时指出,这条定律描述的是两个相互绕转的天体在质量上的关系,也被用来确定轨道参数。
NASA举了一个例子:设想一颗较小的恒星绕着一颗质量更大的恒星运行,表面看是小星绕着大星转,实际上两颗恒星都在绕着一个共同的质量中心运动。
这个点被称为“质心”。NASA特别强调,无论参与其中的天体有多大、质量有多重,这一点都成立。换句话说,在任何相互绕转的系统里,都不存在一个绝对静止、只被别人围绕的“中心”,所有成员都在绕着同一个看不见的点运动。
质量大的一方离质心近,移动幅度小,看上去仿佛一动不动;质量小的一方离质心远,绕出的圈子大,于是显得是在“围着别人转”。可只要观察得足够精细,就会发现那位“大个子”同样在画着小圈,只是动作要轻微得多。
NASA还补充说,这一原理在天文研究中有实际用途。如果一颗恒星身边有一颗质量很大的行星,测量这颗恒星围绕质心的运动,就能反推出那颗行星的存在。这正是人们发现遥远恒星周围行星系统的方法之一。
也就是说,恒星被行星“拽着”轻微晃动,并不只是纸面上的理论推演,而是能够被观测、并被实实在在用来寻找系外行星的真实现象。遥远的恒星会被自己的行星拉得摇摆,我们的太阳自然也逃不出这条规律。
把这个道理搬到太阳系,结论就很清楚了:地球围绕运行的是一个质心,而不完全是太阳本身。太阳系里的每一颗行星、每一个天体都在参与这场共同的旋转,大家围着的,是由整体质量分布决定的那个点。
一般而言,太阳系所有天体的共同质心位于太阳附近,这是由太阳压倒性的质量决定的。假如太阳系里只有地球这样的小个子行星,它们对太阳的拉扯微不足道,质心几乎可以视作就在太阳中心,课本的说法也就不必再做什么补充。
问题在于,太阳系里还有木星和土星这样的气态巨行星。它们质量可观,对太阳的拉扯远比地球明显。在这两颗巨行星的质量、引力影响以及各自轨道位置的共同作用下,太阳系的质心被不断牵引,很少落在太阳内部。
就目前而言,太阳系的质心恰恰位于太阳之外,而不是在太阳里面。既然地球围绕的是这个质心,那么从技术上讲,地球此刻并不是在绕着太阳转,而是在绕着太空中的一个点运行,这个点就悬在太阳以外的空间里。
这个结论听起来颠覆常识,却没有否定“地球绕太阳转”的基本图景。太阳依然占据太阳系的绝大部分质量,质心依然在它附近徘徊,地球的轨道也依然大体以太阳为中心。所谓“地球没有绕太阳转”,是追求更高精度时的补充说明,而不是对常识的否定。
奥多诺霍在解释这种位置关系时,还点出了一个容易被忽视的事实:人们很自然地以为,我们是绕着太阳的中心运行的,但这种情况其实非常少见。也就是说,太阳系的质心与太阳中心恰好重合,是一件极为罕见的事。
在大多数时候,两者都是错开的。我们习惯把太阳中心当作太阳系的“圆心”,但严格来说,那个真正的旋转中心几乎总是偏离太阳中心,眼下甚至跑到了太阳之外。太阳本身,也在行星们的拉扯下,绕着这个点缓缓移动。
这一规律并不只适用于太阳和行星,在行星与卫星这样较小的天体系统中同样成立。以地球和月球为例,人们通常说月球绕地球转,但实际上,地球和月球是在共同围绕一个点运行,这个点距离地球中心约5000公里。
地球在地月系统中占据大部分质量,所以质心离地球中心较近;但月球的质量同样足以让这个点偏离地心,使地球本身也随之绕着它运动。我们脚下的大地并非静止不动,而是一直跟着月球,绕着那个看不见的点悄悄画圈。
而且,这个位置并不是固定不变的。随着月球缓慢地远离地球,地月系统的质心也在不断变化。这提醒我们,天体之间的绕转关系是一个动态过程:位置、距离和质量分布一旦改变,共同质心也会随之移动,没有哪个“中心”是一成不变的。
“地球绕太阳转”和“地球此刻并不是在绕太阳转”,并不是非此即彼的矛盾,而是同一现象在不同精度下的两种描述。课本给出的是一个好用的大概,科学家较真的是其中那一点偏差。
在一般意义上,太阳占据太阳系绝大部分质量,质心通常在它附近,说地球绕太阳运行合理且有用;在严格的物理意义上,引力是相互的,所有天体都绕共同质心运动,而受木星、土星影响,这个质心很少位于太阳内部,眼下就在太阳之外。
从地球与月球绕着距地心约5000公里的那一点旋转,到天文学家借助恒星的微小晃动发现遥远的行星,背后都是同一个道理:谁沉谁晃得少,但谁都在晃。正如奥多诺霍所说,行星当然绕着太阳转,只不过当我们“较真”时,会看到一幅更精确也更有趣的图景。