拉扯出的引力之花——洛希瓣

在《拉扯出的奇異之點——拉氏點(3)》里,我們已經劇透了一張圖,如下。其實,這描述的是日地系的引力等位面。按照愛因斯坦的廣義相對論,空間如同一張膜,物體在膜上會讓膜「陷」下去,使膜彎曲,質量越大的物體陷的越深。下圖中,太陽的「坑」就比地球大的多也深的多。但在這兩坑之間,畢竟還有幾個平衡的點,這就是拉格朗日點,從L1到L5,這樣的解釋你是不是清楚多了?

地球和太陽相比,大小過於懸殊,上圖比較難看。如果兩個星體的質量在伯仲之間,將等位面投影到平面上用不同的顏色區分開來,則會綻放出如同下圖般的引力之花。如下圖中央,兩個原本應該是球形的「希爾球」被拉扯成了藍色淚珠狀的區域,兩顆淚珠的頂點就是L1點。

這種「淚珠」最早也是被洛希發現的,也像一種花瓣,因此被稱作「洛希瓣」。

拉扯出的引力之花:洛希瓣。

洛希瓣可不是一個只能遠觀而不可褻玩的花瓣,用它可以解釋很多事情,也能夠幫天文學家提供很多思路。

大家仔細觀看上圖,兩朵「洛希瓣」組成一個8字,交點在L1點。有一種軌道,就按照這個8字運轉,因此被稱為「8」字軌道。它很有用,如果你看過《拉扯出的奇異之點——拉氏點(1)》,一定會記得登月軌道就是這樣一條8字軌道,中間站就是L1點。

而當兩星體型相差過大,比如地球和太陽,這樣的「花瓣」會變的極其不平衡。外圍的小天體會找到一個「馬蹄形」軌道,僅僅在地球周邊,就有很多小行星按照這樣馬蹄形的軌道繞太陽運轉,比如小行星2010 SO16,下圖是它的軌道。

這個軌道可能過於「炫目」,也讓很多人難以理解,我們來捋一捋,看下圖。

從A點開始,在這裡小行星比地球更靠近太陽,它受地球引力影響,獲得動能,於是開始追趕地球,根據開普勒三定律,它的軌道也開始「提升」,奔向一個更「高」的軌道,於是到達了B點,和地球同樣的「高度」。(這裡的高度是相對於太陽哦)

然而地球的引力繼續拉著小行星,直到C點,這時,小行星的軌道夠「高」,也夠慢了,就好比一個原本俯身的溜冰運動員挺起了胸,他的動能轉化成勢能,因此速度小有下降。與之類似,這顆小行星終於開始落後地球,地球給予它的引力也越來越小。於是小行星距離地球越來越遠,被逐漸落下。

就在小行星快被落下一圈的時候,小行星又看到了希望,在D點,小行星想繼續往前跑不被地球追上。但這時候,地球已經身處它的後面,試圖超越它,但地球的引力反而降低了小行星的能量,於是小行星開始「降低」軌道,到達E點。在這裡以勢能換動能,好比在溜冰速滑時降低自己的身高,於是得到了更多的速度,又開始超越地球。

洛希瓣確定了一種馬蹄形軌道。

從頭到尾,這是一個動能和勢能的變換,一個循環可能需要花費好幾個世紀的時間,但這就是引力作用的結果。

天何言哉!引力這種無形的力量無處不在發揮著它的作用,任何有質量的物體只要進入了引力場,測地線就是他們的命運,除非它擁有自己的動力。

宇宙中,這種馬蹄形軌道並不罕見,著名的土衛十一厄庇墨透斯和土衛十雅努斯就互為馬蹄形軌道繞著土星旋轉,如下圖,甚是有趣。

並不要以為兩者各自享有軌道的一部分,它倆其實都在圍繞土星旋轉。

而當某些天體沒有足夠的能量穿越L3點時,它就只能停留在L4或者L5附近做振蕩運動,這種軌道叫做「蝌蚪型軌道」。比如上次我們介紹過的地球的小夥伴2010 TK7,它的軌道如下圖,就是一種「蝌蚪型軌道」。

小行星2010 TK7在地球L4點附近按照蝌蚪型軌道運行。

如果說地球和太陽之間的洛希瓣已經很讓你燒腦了,那宇宙中還有很多精彩的洛希瓣會「炫」的讓你目不暇接。

咱們的太陽沒有恆星夥伴,這在一定程度上確保了太陽系的穩定。但宇宙中大部分恆星都以雙星、三星甚至星團的形式存在,如果有兩顆星距離比較接近,那它們之間的洛希瓣就要出事情了。

我們知道,一顆恆星也會從青澀走向衰老,當它接近壽命的終點時,會變成一顆紅巨星,膨脹到原來體積的幾千萬倍,甚至幾億倍,幾十億倍。當它的外圍擴散到洛希瓣外時,就會發生洛希瓣溢流,紅巨星的物質會通過L1點自動傳輸到伴星。

紅巨星的物質通過L1點傳輸給自己的伴星。

深秋,在天空的正南方,可以看到一個形狀象「人」字的星座,這就是「英仙座」,以古希臘英雄珀爾修斯命名。其中有一顆星很奇怪,它的亮度總在不斷的變化,每68小時49分鐘這顆「魔星」便會「眨眼」大約8小時。古希臘人認為這裡就是珀爾修斯砍下的美杜莎的頭顱,這不斷閃耀的星光就是美杜莎那看一眼就會石化的魔眼,因此用「妖魔」(Algol)來命名它。這顆星在我國被稱為大陵五。

英仙座(Perseus)和那顆魔星大陵五。

現代天文學發展起來以後,天文學家才發現大陵五其實是一個「三體星系」,包含大陵五Aa1、Aa2和Ab。Ab距離另外兩顆星比較遠,Aa1和Aa2比較近,其中最亮的是較熱也較大的主星Aa1,這是一顆年輕的藍星。而Aa2雖小,卻已經老化,進入紅巨星階段,星光較暗。當Aa2運轉到Aa1的前面,遮擋住了主星的光芒,從地球上看來,「魔星」就是在「眨眼」咯。

大陵五Aa1(藍色)和Aa2(紅色)。

由於Aa2已經膨脹超越了它自身的洛希瓣,因此質量在不斷傳輸給Aa1。這種現象在天文學上被稱為「大陵五佯謬」,很多恆星的演化似乎太「慢」了,有些恆星的老化又似乎太「快」了,這讓主流的恆星理論受到質疑。

當天文學家看清了大陵五究竟是什麼情況之後,「大陵五佯謬」得到了合理解釋,原來,很多恆星之所以看起來演化的太快,是因為在類似大陵五的雙星、三星系統中,恆星之間存在著物質的傳輸,因此擾亂了正常的恆星演化程序。大陵五系統里的Aa1得到了伴星的新鮮供養(恆星最外圍都是氫),因此青春永駐,越過越年輕,而伴星不斷被主星吸收了自己的外圍,加速了自己的「老化」,因此速速進入紅巨星階段。

由55張照片組合起來的小視頻,可以看到較小的Aa2圍繞中央的Aa1旋轉。

原來,「老夫少妻」在天上也不少見啊。


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