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月亮圍著地球轉,地球圍著太陽轉,太陽和更大的天體結構怎麼轉?

有人問:月亮圍著地球轉,地球圍著太陽轉,太陽又是圍著誰轉?其實從月亮到地球再到太陽,它們並不是圍繞著某個天體在轉,而是圍繞著共同的質量中心旋轉,知道了這一點,就知道更大天體結構旋轉的秘密了。

所有的天體都是在萬有引力作用下運動。

所謂月亮圍著地球轉,地球圍著太陽轉,都是由於月亮、地球、太陽之間的引力作用而形成的運動狀態。事實上,引力是相互的,牛頓萬有引力定律和愛因斯坦的引力場方程都告訴我們,引力大小是由於物體質量和它們之間的距離決定的,質量越大的物體,引力越大,相互之間距離越遠引力呈距離平方衰減。

萬有引力定律公式為:F=GMm/r^2;愛因斯坦引力場方程表達為: R_uv-1/2*R*g_uv=κ*T_uv (Rμν-(1/2)gμνR=8GπTμν/(c*c*c*c) -gμν)。這兩個公式看起來風馬牛不相及,但表達的都是一回事,就是引力場的規律。

愛因斯坦理論與牛頓理論的適用問題。

人們把牛頓的萬有引力定律定義為經典力學理論,這個理論是構建在絕對時空觀基礎上的。但事實是我們的世界是運動著的,時空在質量和運動中會發生變化,因此時空是相對的。愛因斯坦場論從根本上解決了引力場與不同時空的變化問題,修正了牛頓經典力學的一些誤差,讓人們對世界的認識更加精準,是在牛頓萬有引力理論之上更高一個層次的理論,由此大大推動了人類文明的進步。

愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論,是建立在光速極限和光速恆定基礎上的,認為物體運動會導致時空膨脹,物體質量會扭曲時空,同樣發生時空膨脹,因此在不同運動系和不同重力中,時空是不一樣的,因此時空是相對的。

但這種變化在高速狀態或大重力場狀態才有意義,才會更明顯。在低速和小重力下,變化是極其微小的,很難被覺察。而在我們世界,很多時候都是在極端低速狀態下的觀測,牛頓的經典理論導致的誤差可以忽略不計,這樣萬有引力定律就還一直發揮著巨大作用。

今天我們不展開討論兩位偉人的理論問題,我們要回答的太陽圍繞著什麼轉,都是在低速狀態下進行的,因此可以適用牛頓理論來解釋。

月球實際上是圍繞著地月公共質量中心旋轉。

根據牛頓萬有引力理論,月亮並不是真正的圍繞著地球轉,而是地球和月球都圍繞著雙方公共質量中心轉。只不過由於地球質量比月球大81倍,因此引力比月球大多了,這樣,它們之間的引力中心就絕對偏向了地球這邊,只是不是在地球的核心處,而是在地球核心與月球核心連線,距地球核心4671km的地方。地球和月球都是圍繞著這一質量中心公轉,公轉周期為27.32地球日。

但由於這個質心在地球表面內部,且月球已經被地球潮汐鎖定,而地球並沒有被鎖定,有較快的自轉,因此地球的地月相互公轉就很難看出來,看起來就是月球每27.23天會圍繞著地球轉一圈。如果用精密儀器測量,地球圍繞著地月質心公轉也是能夠測出來的。

且地球也受到月球引潮力影響,每年自轉會表慢15微秒,表現出被潮汐鎖定的趨勢,但這個時間會很長,長到太陽系毀滅,地球自轉一年也只會慢21個小時。這個就不展開來扯了,總之就是引力導致的公轉都是相互的。

地球圍繞著太陽公轉實際也是繞著雙方公共質心轉。

地球有多大?與太陽相比,完全不在一個數量級。地球質量只有太陽的33萬分之一,這樣地球引力比太陽引力就小多了,太陽與地球相互引力的質心也在太陽內部,而且距離太陽核心很近,只有450千米,比起69.6萬千米的太陽半徑,這點距離幾乎可以忽略不計,因此看起來地球就完全是圍繞著太陽公轉。

但作為太陽系的質心就不一樣的。太陽總質量占據整個太陽系的99.86%,八大行星等其他天體占0.14%,雖然依然很小,但比地球質量只有太陽的0.0003%大多了,這樣除太陽外太陽系所有天體引力的拉力,就可以把太陽系共有質心拉離太陽本體了,而木星一顆行星就占有太陽質量的0.1%,是所有行星質量加起來的2.5倍,這樣太陽系的公轉質心就基本不在太陽內部了。

經測算,當所有的行星都運行到太陽一邊連成一線時,太陽系的質心就在這根連線距太陽核心的1%天文單位處,也就是距太陽核心約150萬千米。太陽半徑為69.6萬千米,這樣太陽系核心就在距離太陽表面約80萬千米處了。

由此說來地球圍繞著太陽轉,實際上也是太陽和地球圍繞著一個共同質心在轉,而整個太陽系也是太陽和所有行星、矮行星、衛星等各種天體,圍繞著一個共同質心在轉,而且這個質心也是經常變化的,要精準描述這種運動是十分複雜的。

那麼太陽又是圍繞著什麼轉呢?

太陽是銀河系裡的一份子,銀河系質量約2100億個太陽質量,直徑約20萬光年,擁有恆星約4000億顆,太陽只是其中一顆黃矮星,質量為1.9891*10^30kg。黃矮星就是指發出的光譜主要為G型,質量以太陽為準,一般在太陽質量0.8~1.4倍之間的恆星。

黃矮星在所有恆星中並不算大,只是一種中等偏小的恆星。但從銀河系的質量和恆星數量之比,我們可以看出,恆星平均質量只有太陽的一半左右。這樣我們就可以得出,比太陽小的恆星占絕大多數,觀測發現證明事實就是如此。

在銀河系並推廣到整個宇宙,比太陽質量小的恆星在80%以上,人們一般把小於太陽質量0.8倍,大於太陽質量0.08倍以上的恆星稱為紅矮星,這種恆星壽命特長,最小的紅矮星壽命可達到1萬億年以上。

太陽位置在距離銀心約2.6萬光年的地方,坐落在銀河系這個漩渦星系的一條獵戶支臂上,和所有恆星一道,圍繞著銀心旋轉。銀心是銀河系巨大的引力核心,中心是一個約太陽質量430萬倍的黑洞。太陽帶著太陽系八大行星以及拉七雜八的其他天體一起,以每秒約250km的速度,圍繞著銀心公轉,轉一圈約需2.5億年。

恆星既有圍繞著銀心公轉的大趨勢,也有各自運動的小趨勢。

雖然銀河系所有恆星都圍繞著銀心公轉,但由於恆星周邊各種複雜引力因素,嚴格說起來,恆星之間並不是均衡同步的圍繞銀心運動,這樣每顆恆星都會有自己的運行軌跡,恆星之間的距離就會有變動。但由於恆星之間距離太遠,如距離太陽系最近的恆星也有4.22光年,這樣恆星運動軌跡即便每秒上百甚至幾百千米,但與恆星之間距離相比,也是極其微小的。

因此在我們肉眼看來,恆星數千年都沒有什麼變化,如北斗七星從古到今都是那種形狀。但時間久遠就會發生變化,過了10萬年,北斗七星就不再是這種排列,形狀會發生較大變化。而人類迄今才有幾千年歷史記載,看到的恆星之間好像沒什麼變化,所以才叫「恆星」。

銀河系在本星系群運動的質心在哪裡?

在宇宙中,所有天體都是在引力作用下運動,而且天體結構也是層層像俄羅斯複製,越來越大,且都是圍繞著引力中心運動的。如銀河系的上級天體結構是本星系群,覆蓋著約1000光年的天區。這個群包括了仙女座星系和銀河系在內的50餘個星系,而仙女座星系是老大,銀河系是老二,其餘的星系都相對較小,大多數屬於矮星系。

因此在本星系群里,引力中心在仙女座星系和銀河系之間,其他的一些小星系都圍繞著這兩個大星系運動,成為衛星星系。整體趨勢是仙女座星系與銀河系在引力作用下正在以每秒數百千米速度靠近,預計在30~40億年後,兩個星系會碰撞融合成一個較大的橢圓星系,一些小矮星系或許早就被老大老二吃掉了。

宇宙中更大的天體結構都在運動。

而本星系群則是本超星系團中的小小一員,本超星系團包含上百個星系團(群),覆蓋了約1億光年的天區。本超星系團裡面的星系團很多都比本超星系群大多了,如核心的室女座星系團就有星系2500多個,是本星系群的50餘倍。我們銀河系以及本星系群,就圍繞著這個巨大本超星系團引力中心旋轉,轉一圈約需1670億年。

而本超星系團之上還有結構更大的拉尼亞凱亞超星系團,再上去還有雙魚鯨魚超星系團、史隆長城結構、海格力斯-科羅拉·伯里阿斯長城等等,這些巨大結構組成了半徑465億光年的可觀測宇宙,還有更為巨大無法估計的不可觀測宇宙,所有的宇宙天體,都在巨大的引力作用中運動。

除了四種基本力,暗物質和暗能量才是宇宙運動的主導。

現代天體物理學研究認為,主導著宇宙運動的除了萬有引力,還有強力、弱力、電磁力,而在宇宙運動中起主導決定作用的是暗物質和暗能量,這兩部分不可見質能占據宇宙總質能的95%以上。暗物質主導加強著宇宙結構的形成,表現出比引力大很多的天體系統聚合力,維繫著天體結構不被離散;而暗能量卻是宇宙膨脹的推手,加速著宇宙膨脹。

這兩種質能的較量,主導著宇宙未來的走向。宇宙的壽命和生死結局如何,取決於這兩種力量的博弈和結果。這是另外一個話題,有興趣者可以查閱時空通訊過去發表過的相關文章。謝謝閱讀,歡迎討論。

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