地球都無法擺脫太陽引力,為什麼「天外來客」奧陌陌卻可以?

科學書屋 發佈 2020-02-06T23:53:54+00:00

2017年,有一個神秘的天體來到了太陽系,後來我們管它叫做奧陌陌,這是因為這是觀測到奧陌陌的天文台所在地是夏威夷,在夏威夷當地的語言中,奧陌陌的意思是第一位來自遠方的使者。

2017年,有一個神秘的天體來到了太陽系,後來我們管它叫做奧陌陌,這是因為這是觀測到奧陌陌的天文台所在地是夏威夷,在夏威夷當地的語言中,奧陌陌的意思是第一位來自遠方的使者。而奧陌陌來到了太陽系後不久,就快速地離開了太陽系。

我們都知道,太陽是太陽系絕對的主宰,質量占據太陽系總質量的99.86%。因為質量巨大,因此引力巨大。照理說,太陽系中的天體應該很難擺脫太陽自身的引力,那這個奧陌陌為什麼可以擺脫太陽系的引力呢?


宇宙速度


要理解這個問題,我們其實可以從牛頓的一個思想實驗說起。話說,1687年,牛頓發表了著名的科學著作《自然哲學的數學原理》,在這本著作中,牛頓奠定了近代物理學的範式以及基礎理論。其中包括了牛頓的三大定律以及萬有引力定律。

在這本書中,牛頓提到了他如何思考萬有引力定律,比如通過月球運動和蘋果的下落比對,大致猜出平方反比的規律。其次,他還提到了一個牛頓大炮的思想實驗。他是這麼想的,我們所在的地球如果從大尺度上看,大球是曲面的,這樣地球才是一個球狀。


如果,我們有個理想的大炮,這時候把炮彈向外打出去,這個炮彈走出的會是一條拋物線。

之所以會這樣,是因為引力對於炮彈在豎直方向上有個作用力。如果我們把炮彈打得遠一些,在大尺度上就是下圖這個樣子。(注意地球是球狀的,大地是曲的。)

如果這個時候,我們這個理想的大炮可以把炮彈打得足夠快,使得炮彈豎直方向上下落的位移恰好和地球向下曲的量是一致的,那這個時候,炮彈可以繞著地球運動。


我們現在也把這個速度叫做第一宇宙速度,在地球上這個速度是7.9km/s。發射到宇宙中的火箭至少都要達到這個速度,否則根本沒辦法發射成功。

那如果我們把這個炮彈再打得速度快一點,這個時候,炮彈繞著地球的軌道就會大一圈。只要這個速度沒有超過11.2km/s,就不會擺脫地球的引力。


如果我們能夠讓炮彈的速度達到11.2km/s以上,這個時候炮彈就可以擺脫地球的引力跑出去。


所以,你發現沒有?實際上,一個物體是不是可以擺脫天體的引力,本質上是要看這個物體的速度達到了一定程度。


要擺脫太陽的引力,實際上也和速度有關,只要達到足夠大的速度就可以擺脫太陽引力的束縛。


不過這裡要注意的是,如果你是在海王星,實際上你已經遠離太陽足夠遠了,所以要擺脫太陽引力是相對容易的,所需要的速度也就小一些,大概是7.7km/s。


如果是要從地球出發擺脫太陽系的引力,這至少也需要16.7km/s,這也被稱為地球的第三宇宙速度。(不同的天體,宇宙速度是不同的。)

奧陌陌如何逃離地球?


所以,奧陌陌想要擺脫太陽引力的話,只需要速度夠快就行。其實當奧陌陌朝著太陽內部飛來時,它所擁有的速度就已經非常快了,達到了26km/s的速度。這個速度只要軌跡恰當,是可以擺脫太陽引力的束縛。


但是,更神奇的是,太陽系中還有個大傢伙,這就是木星,太陽系中除了太陽之外最大的天體。它的存在,還給奧陌陌加了把速度。這裡利用到的原理叫做引力彈弓效應。說白了,就是利用自身強大的引力給奧陌陌當了把順風車。不過要說明一下,引力彈弓效應並不是只有加速的作用,實際上還可以減速,而且會大大地改變天體運動的方向。

科學家常常利用引力彈弓效應來給飛船加速,這樣可以節省許多燃料,由於木星是太陽系中最大的行星,所以木星也是最常用來作為引力彈弓效應的對象。著名的科幻電影《流浪地球》中,編劇甚至讓流浪的地球去利用木星的引力彈弓效應來加速。

而奧陌陌也恰好被木星加了一把速度,軌跡發生了改變,同時速度也增加了不少。於是,它以更快的速度離開了太陽系。

也就是說,奧陌陌之所以可以擺脫太陽的引力,主要依靠的速度夠快。奧陌陌自身的速度本來足夠快,又被木星通過引力彈弓效應加了速。所以,使得它具備了擺脫太陽引力束縛的速度。這才使得它擺脫了太陽的引力,繼續在星際空間中流浪。

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