轨道与旋转

Q071 为什么行星围绕恒星的轨道是椭圆形，而不是圆形的？

大卫·盖，赫尔（David Gay, Hull）

首先必须澄清的是，圆只是椭圆的一种特殊情况，其特殊性在于离心率为0。约翰尼斯·开普勒发现，所有天体都沿着椭圆形而非完美的圆形轨道运行，这一发现有助于更精确地解释行星运动。事实上，公转轨道还是更接近圆形，如果你用粉笔画一个直径为1米的圆，地球的轨道将偏离这个完美的圆，但偏离的范围比粉笔痕迹的宽度还小。

即使你发现自己有神赐予的神奇力量，可以让行星的轨道成为一个完美的圆，这种情况也无法维持太久。虽然地球的轨道是由太阳的引力主导的，但来自其他天体的微弱引力仍然会使它偏离一点。其中最大的影响来自木星和土星，但除了它们之外，一些较大的小行星也会对地球轨道产生可探测的影响。

Q072 每次我们在银幕上或书中看到的太阳系都是扁平的，这样的图像有多准确？是通过怎样的观测得出的呢？

克里斯·莱维特，南约克郡，谢菲尔德；爱德华·莱特，兰开夏郡，斯凯默斯代尔（Chris Levett, Sheffield, South Yorkshire and Edward Wright, Skelmersdale, Lancashire）

太阳在天空中的路径称为“黄道”（ecliptic），数千年来人类已经知道，行星也大致遵循着类似的路径在天空中移动。即使在知道太阳系的中心是太阳而非地球之前，人类也知道行星是在同一个平面运行的。

八大行星的轨道大致就在这个“黄道面”（ecliptic plane）上。相对于地球的轨道，其他行星的公转轨道最多只倾斜几度。这样的排列源于行星形成过程，因为行星是从围绕着太阳的物质盘中形成的。不过，行星本身可能会相对于它们的轨道倾斜一定角度，如地球就倾斜了23°，这就是四季形成的原因。天王星倾斜到几乎是平躺着的，而金星则倾斜了将近180°，让它看起来是上下翻转的。大部分行星的卫星仍沿着行星的赤道排列，不过卫星围绕行星的轨道又比行星环绕太阳的轨道有更多的变化。举例来说，我们的月球轨道偏离地球赤道的倾斜角度大约为20°，偏离黄道面为约5°，这是我们无法每个月都能观测到月食和日食的原因。

太阳系内小型天体的轨道都不一样。虽然大多数在主小行星带内的小行星都躺在相同的平面上，但很多在外围的小型天体就不是这样的了。一个典型的例子是位于柯伊伯带的矮行星冥王星，柯伊伯带由许多相对小而结冰的岩石天体构成，轨道半径比海王星轨道稍大一些。冥王星的轨道相对地球轨道的倾斜角度大约是17°，但是很多其他天体的倾斜角度更大。举例来说，我们认为大部分彗星都来自奥尔特云（Oort cloud），奥尔特云是一个距太阳很远的大致呈球体的云（尽管它们可能形成于距太阳较近的地方，并由于与巨大行星间的相互作用而移到远处）。我们从地球看到的很多彗星都来自奥尔特云，所以它们相对于行星的倾斜角度会很大。例如，1997年为我们的夜空增辉的海尔—波普彗星（Comet Hale-Bopp），其轨道就倾斜了大约90°。

Q073 这是我儿子提出的问题：行星自转最开始的原因是什么？

罗伯·曼宁，汉普郡，弗利特（Rob Manning, Fleet, Hampshire）

这是一个很好的问题，换句话说：“世界转动的原因是什么？”答案并不是有些人想说服你的那种，不是因为钱！行星会自转是因为没有东西阻止它们，它们从围绕太阳转的盘状物质中形成，并随着物质聚集最终构成行星，物质的自转就被带进行星的自转中了。

尽管与潮汐力相关的力会让转动逐渐变慢，但却很难消除这种旋转。地球在月球上造成的潮汐已经使月球停止了相对于地球的自转，其他行星的大部分卫星也是如此。只要时间够长，地球相对于太阳的自转也会停止，不过在自转停止之前，太阳就已经先膨胀成红巨星并死亡了。

先驱者金星轨道飞行器（Pioneer Venus Orbiter）于1979年绕行金星时，拍到的紫外光波段的被云层覆盖的金星。

Q074 有没有行星的自转方向是错误的呢？

乔纳森·索耶，伯克，雷丁（Jonathan Sawyer, Reading, Berkshire）

从太阳的北极向下看，太阳系内几乎所有行星都以逆时针方向旋转，但有两个有趣的例外。

首先是金星，它的自转方向刚好相反，自转速度也比其他行星慢。金星绕太阳一圈是224个地球日，但是自转一周是243个地球日，这代表太阳会从金星的西方升起，从东方落下，而太阳两次升起的间隔大约是116个地球日。

造成这种现象的原因并不清楚，不过已经有一些较为可信的理论出现。一种说法认为，可能是太阳在金星上造成的潮汐导致的，这样的潮汐试图让金星自转和公转的周期相等，因此阻止了它的自转。然而，金星上厚重且充满气体的大气层，对影响固体和液体的潮汐摩擦力并没有那么敏感，大气层的转动并不会快速减慢。而且金星大气层的密度很高，所以它的质量可以避免自转完全停止。

在太阳系过去几十亿年的历史中，金星的自转可能发生过剧烈的变化。同样的事也可能发生在地球身上，只是由于我们距太阳更远，因此太阳的影响也较弱，比月球对地球自转的影响要小得多。地球上的潮汐会作用于海洋，而金星上的潮汐则作用于厚重的大气层。

第二个很有意思的例子是天王星，它的倾斜角度大约为90°，几乎是完全躺着自转的！天王星不是自顶端旋转并同时围绕太阳转的，而是像一颗斯诺克台球一样，一边滚动旋转一边围绕太阳转动。造成这种现象的原因还不清楚，但可能是由于与另一个或数个天体撞击造成的。

Q075 行星会渐渐远离太阳、飘向太阳，还是保持原地不动？

保罗·史密斯，德比郡，阿尔弗雷顿（Paul Smith, Alfreton, Derbyshire）

行星相对来说是固定在它们目前的轨道上的，但也并不是永远不变的。行星在将近50亿年前，从围绕太阳的尘埃盘中形成，行星和尘埃盘间的相互作用会导致它们的公转轨道偏移。加上尘埃提供的阻力，以及来自其他行星的剧烈影响，行星本身会倾向于向内移动。

人们普遍认为，行星形成的位置与我们如今看到它们的地点不同，内行星可能先在距太阳较近的地方形成，接着再向外移动。木星则可能向内移动而非向外，而天王星和海王星可能互换了位置。这种引力相互作用可能会对较小的天体产生重大影响，甚至也许会将它们完全抛出太阳系。事实上，一些理论甚至认为一开始应该有5颗巨行星，只是其中一颗在太阳系形成的初期就被其他4颗驱逐出境了。

我们知道，在很多其他“太阳系”内，有类似木星，甚至更大的巨行星在邻近恒星的地方公转。既然这些巨行星不可能一开始就在那些地方形成，那么它们一定是向内移动了。如果我们的太阳系也出现过类似的现象，那么地球以前很可能并不在它目前的位置上。这就提出了一个很重要的问题：是什么阻止了它向内移动？既然我们认为这种移动可能是由于与原行星盘内尘埃物质的相互作用造成的，那么可能的原因之一就是：一旦这些尘埃在形成行星、卫星与小行星的过程中被耗尽了，行星就会停止移动。但这样的时机到底是不是巧合就不得而知了。另外一种可能是由于土星的存在，阻止了木星继续向内移动。

Q076 在我们的太阳系内，地球绕着太阳转，但太阳是否也有公转轨道呢？会不会影响地球呢？

基思·海索姆，萨默塞特郡，凯恩舍姆（Keith Haysom, Keynsham, Somerset）

严格来说，地球并没有绕着太阳转，而是两者都绕着这个系统的“质量中心”在转，而这个质量中心就是“重力中心”。由于太阳的质量接近地球的100万倍，所以地球—太阳系统的质量中心非常接近太阳的中心，提问中的表述也是正确的。

不过，行星的质量越大，尤其是木星，对太阳的影响也就越大。太阳—木星系统的质量中心其实很接近太阳的表面，所以可以想象成太阳在太空中每12年就会围绕一个点滚动一圈，同时每25天到30天又绕自己的轴自转一圈，这种运动使得我们能够通过行星对其母星造成的“摇摆效应”（wobble effect）探测到太阳系以外的更多行星。

当然，我们的太阳系不只有太阳、地球和木星，所以太阳的运动其实更复杂。太阳的运动主要受木星影响，但其他较大的行星，尤其是土星，也会造成影响。

太阳本身又围绕银河系中心的轨道，绕行一圈大约需要2亿年。当然，它也会稍微上下移动，所以大约每几千万年就会穿过星系盘一次。银盘上有更多恒星和尘埃云，可能会对地球产生一定影响。例如，有一种理论认为，太阳通过银河系平面可能会增加它接近其他恒星的概率，吸引来自奥尔特云的彗星。这些理论很难验证，何况我们还无法直接观测奥尔特云。