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一段来自天文爱好者的提问:
9 l! T5 Z# k, E) I我知道土星有两个子卫星……(我不记得它们的名字了),沿着相同的轨道和轨迹围绕土星运行。它们的环绕速递并不相同……但它们至今也未曾相撞!!!你知道吗?这是真的吗?这怎么可能呢?
3 M7 }$ I+ B! d0 O/ B4 m% ^你可以解释一下吗?% _0 s) c8 B1 u9 |
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戴夫·科恩里奇作出回答:+ t4 L: g) K8 }" A/ s2 l
土星的两个卫星,土卫十和土卫十一,这两颗卫星是“双星”,共用了同一个轨道(其实两者公转轨道相差50千米,连它们任何一个的直径一半都不到,就相当于共用一个轨道)。它们离土星的距离大约相等并且以相同的速度运行。然而,它们从未取代彼此或相撞。技术上,我们天文学家说它们处于“1:1的轨道共振”或“马蹄形轨道”。
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事情是这样的。首先,一个卫星在轨道中的速度只取决于它到行星的距离。土卫十和土卫十一距离土星的平均距离相等。这个距离有一个确定的与之对应的环绕速度。两个卫星就以这个速度运行。因此,如果你想象从土星的北极上空俯视土星,你会看到两个卫星以这样的速度环绕土星运行。: V Z& N" U0 Y+ I" ^4 F1 p W
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现在想象一下,我们不仅仅是在俯视土星,同时我们在飞船中以这两个卫星环绕土星的速度和方向慢慢旋转。在这个“旋转框架”中,如果两个卫星确实都以这个速度运行,它们就会出现在我们的挡风玻璃上固定不动。相反,我们真正看到的是一个卫星一直呆在挡风玻璃的一边,另一个卫星则呆在另外一边,它们围绕土星以马蹄形状运行,来回摆动。这就是为什么我们叫这种轨道为马蹄形轨道。
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/ f* R2 |, b8 D1 Z那么究竟发生了什么呢?在任何一个时刻,其中一个卫星会比另外一个距离土星稍远一些,这个卫星会运行的稍微慢一点,另一个卫星则会距离土星稍近一些并且运行稍快一点。最终,较快的卫星会赶上较慢的卫星,但在它们发生碰撞之前,两个卫星之间的能量进行了交换,它们也互相交换了轨道。先前比较远也比较慢的卫星现在离土星更近而且运行更快了,先前比较近比较快的卫星现在离土星更远也运行的更慢了。当快的卫星追赶上慢的卫星时,慢的卫星加速远离它并且变成快的卫星。因此它们永远不会相撞。
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/ O8 ]" n9 ^+ t1 D- s两个卫星之间持续不断的轨道交换是一个非常稳定的结构。任何轨道都是在两种相互竞争的力之间达成的平衡:重力,把物体拉在一起;物体的速度,倾向于让它们彼此远离(如果方向正确的话)。想象一个轨道中的卫星,如果它没有在运动,就会掉在行星上。但它的速度让它能够保持在轨道中。然而,重力和速度并不是完全相互孤立的。重力能够让物体在降落时速度更快,而一个朝着错误方向运动的物体不会呆在轨道中。
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正是这两者之间的相互作用让土卫十和土卫十一避免碰到彼此。当两个卫星靠近彼此时,由于重力作用,他们的速度开始改变。但是因为两个卫星的轨道,他们的重力使他们的速度以一种特定的方式改变,这种改变方式可以让他们的轨道再次互相远离。严格来讲,重力从未排斥卫星,土卫十和土卫十一也是如此。卫星调换了方向(在我们的旋转框架中),并且开始远离对方。, | B# x4 z( b" H3 t+ R0 c* M2 _
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土卫十和土卫十一轨道示意图。由于这类图片比较冷门,在网上无法找到。为了让读者更好地理解土卫十和土卫十一的“双人舞“——轨道互换,所以我们就自行绘制了这一张图片,图片并非按比例绘制,有错的地方,还请读者斧正,谢谢!
' O7 p& a2 X# H- S% j6 s9 D" P图中,当两颗卫星在交换点相遇时,就会互换轨道。内轨道公转速度快的卫星进入外轨道,同理,外轨道速度慢的卫星进入内轨道。由于引力作用,由于引力作用,快的卫星被减速而慢的卫星被加速,实现能量与轨道的交换。由于速度的改变是渐渐发生的,所以,当内轨道快的卫进入外轨道减速蛙,依然会走在内轨道卫星的前面,并在下一次相会时追上。这样,每四年交换一次。( A6 j! U9 p q6 h. E8 }; b

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其他唯一的已知马蹄形轨道的例子是小行星3757克鲁特尼,它和地球处在马蹄形轨道中。在沿着地球轨道旋转的框架中,地球一点也不移动,因为它太大了,但是可以看到小行星在以马蹄形轨迹运动。点击这里可以了解小行星3757克鲁特尼。克鲁特尼的轨道比土卫十和土卫十一复杂多了,后两者看起来更像是那一页的数字1。0 u4 G$ O, J% o5 ?
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