布局宇宙景观的魔力组合

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  2003年1月8日,直径约60米的小行星2002AA29以一种不寻常的马蹄形轨迹追踪地球,它是第一颗以和地球几乎相同的轨道围绕太阳运转的行星。当天,它离地球的最近距离为590万千米,是它近百年来离地球最近的一次。


图中黄点代表太阳,白线是地球轨道,蓝线是2002AA29的轨道

  2011年11月8日19时25分,一颗直径约400米、如航空母舰大小的小行星从地球和月亮的缝隙中穿过。假设这颗名为2005YU55的小行星撞向地球,会在地面上砸出一个直径约6000米、深500米的坑,还会导致7级地震,甚至可能引发海啸,掀起高达20米的海浪。


2005YU55于2011年11月8日19时25分从地球和月亮的缝隙中穿过

  直径达3000米至5000米的“叶列宁”彗星,2011年10月16日与地球擦肩而过,距离大约在0.23个天文单位(1个天文单位等于地球到太阳的距离,即1.5亿千米)。天文学家不仅早就知道“叶列宁”彗星距地球的最近点,并且计算出它对地球产生的潮汐力只有月球的十亿分之一,以及一个几乎可以忽略不计的磁场。


“叶列宁”彗星与地球擦肩而过时的运行轨迹水星的轨

  未来可能对地球构成最大威胁的是小行星“阿波菲斯”。这颗直径400米左右的小行星将于2029年4月14凌晨4时靠近地球北半球,近地点位于5.7万千米处,位置大概在靠近日本上空……
  科学家对上述这些看似失控的天外来客,为何了如指掌、应对自如?他们的自信来自哪里?
  用美国航空航天局近地天体计划主管唐·约斯曼的话说:“我们对小行星的轨道非常了解,是轨道和引力等科学工具铸就了我们自信的基础。”
  是的,毫不夸张地说,轨道和引力不仅是支撑宇宙大厦的栋梁,还是我们探索无尽星空的必经之路。
  如影随形
  小时候,天津还有有轨电车,虽然慢,但开起来叮叮当当的,挺好玩。在听大人们议论地球、月球轨道时我就想,人真了不起,竟然能够给那么大的家伙修轨道。后来才晓得此轨道非彼轨道,太空星际轨道是由引力、质量等因素形成的特殊运行轨迹。
  轨道与引力看似相伴相生,如影随形,但起主宰作用的还是引力,或者说是先有引力后有轨道。如果非要形容的话,引力是构成宇宙大厦的栋梁支柱,轨道则是将天体砖石连缀起来的钢筋水泥。
  以太阳系为例。假如太阳失去引力,所有高速运行的行星都会被抛入太空;行星假如停止转动,太阳的巨大引力就会把它们吸入自己上千万摄氏度高温的熔炉,将地球和人类转眼化为灰烬。
  引力是太空中普遍存在的吸引力,是恒星系统形成的基础,是星系运行的原动力。当然,对不同天体而言,只有引力、质量等因素达到平衡时方可确定关系,正常运行。要达成这种平衡是非常不容易的。
  太阳的引力将所有行星向内拉扯,但行星运动产生的离心力又会阻止它们撞过来;而行星总是以惊人的速度在自转和公转,它们自身首先要保持稳定,引力和离心力一致,自身的物质才不会被抛射出去。此外,太阳引力与行星因运动而受到的离心力之间,必须形成一种微妙的平衡。行星周而复始地围绕恒星运行,轨道由此产生了。


水星的轨道

  轨道其实就是星体运行的轨迹,是太空中隐形的高速公路,长短形状各不相同。
  值得庆幸
  与太阳系其他行星相比,地球之所以成为生命的乐园,仰赖于它拥有的圆形轨道,使其与太阳的距离基本保持一致,温差变化不是很大,并在40多亿年内相对稳定,为生命孕育进化创造了条件。这在躁动无常的宇宙中,即便不是绝无仅有,也是比较罕见的。
  看看地球的近邻水星,你就知道我们生活在地球上有多幸运了。
  水星的轨道极不稳定,它的公转轨道是椭圆形,近日点距太阳只有4500万千米。如此靠近太阳,导致水星上的大气很稀薄,阳光的热力长驱直入,使得其向阳面的温度高达450℃,而背阳面的温度却低到-170℃。任何生命都不可能在这样的环境下存活。地球的极端温度出现在利比亚沙漠和南极腹地,前者是68℃,后者超过-70℃。
  不仅如此,水星绕太阳旋转的轨道还极不稳定,每绕一周它的轨道就会发生偏移,数亿年来,水星的轨道呈现出菊花状,使其自然条件越发恶劣。
  再看距离太阳64亿千米的冥王星,它绕太阳一周是248年,根据角动量守恒定律,距离太阳越远转速越慢。冥王星是个非常怪异的天体,它的延展轨道与太阳系其他行星完全不在一个平面上,不知道这是否是它被踢出行星行列的原因之一。冥王星是一个由冰晶和岩石构成的冰冻星球,最低温度只有-240℃,天空中会落下由甲烷和氮形成的雪花。
  上帝之手把地球放在了与太阳恰到好处的位置。它如果再稍微靠近太阳,后果就不堪设想,金星就是最好的例子。地球若在天文单位上再接近一点太阳,地球上的海洋将很快蒸发殆尽,地球将很快变成一片荒漠,生命不复存在。   相反,地球如果远离太阳一点也不行,那样它就会被两极蔓延的坚冰所包裹,永久冰期也随之而来。是不偏不倚的地球轨道确保我们既不被烧死,也不会被冻死。
  如今科学家探寻外星生命时,恪守的一个重要条件就是,其围绕恒星运动的轨道应该是圆形。
  毁灭与创造
  最大的能量碰撞是什么?不是核反应堆,也不是大型强子对撞机,而是星系云的大碰撞,它们较量的结果能催生出无数恒星,而操纵这种超级对决的幕后推手也是引力。无形的引力不仅可以将星系凝聚在一起,还可以把行星抛出星系。最近天文学家发现一些不绕恒星运行的流浪行星,它们被引力甩出原有星系,相互拉扯,行动诡异,制造出一系列奇形怪状的轨道。再进一步观察,才发现流浪行星在宇宙中的数目庞大。由此可知引力与轨道的正反两面性:它们既是宇宙的定海神针,也是制造动乱的祸首。
  天文学家借助高倍数天文望远镜观察发现,一对距地球1.2万光年的双子白矮星正在高速运转。它们体积虽小,但密度极高,一茶匙物质可达5吨重。两星相距只有8万千米,相当于地月距离的1/5,它们的运行时速超过160万千米,彼此绕对方运行一周只需5分钟,仅此两项就已经刷新天文纪录了。
  在引力作用下,两颗白矮星越发靠近,引力较大的一颗从另一颗上不断撕下物质贴到自己身上……最后距离越来越近,两颗星体都逐渐失控,直至相撞融合,形成一颗超新星。这是宇宙中最剧烈的爆炸事件,其亮度不亚于整个银河系。
  在茫茫宇宙中,极端的引力是一种破坏力,行星与恒星的绕行轨道会因此变得杂乱无章,造成一系列连锁反应。但是,神奇的引力除了破坏,还可以创造,甚至为生命的诞生创造大环境。地球上的所有生命都可以为此作证。
  39亿年前,奇怪的引力波导致太阳系天体发生轨道共振,从而使得太阳系内外颠倒,今天的太阳系版图就是在那次轨道共振后逐渐形成的。在轨道秩序大乱的1亿年内,整个太阳系变成了一个射击场,数十亿颗彗星从不同方向飞来撞击行星,太阳系中的行星和卫星至今仍有当时撞击留下的伤疤。这就是所谓的后期重轰炸期。后期重轰炸期之前的地球,炽热而荒凉,像一座超级火炉,死寂沉沉。
  是冰彗星为地球带来了宝贵的水源,不仅很快降低了地球的温度,还造就了孕育生命的摇篮——海洋。海洋经过漫长的10亿年才孕育出生命的DNA。
  这样说来,遥远的话题一下子就被拉近了。不是么,你我,还有树木和小草,不都是奇异引力和错乱轨道的受益者吗?
  抬起手来,让我们一起向目力所及的宇宙太空,真诚地敬礼吧!
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