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天文学教程上册:引力摄动和海王星发现

时间:2023-08-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:在前述的行星绕太阳公转轨道运动中,只考虑了太阳对行星的引力作用,这称为二体问题。实际上,任何一颗行星不仅受到太阳的引力作用,而且还受到其他行星的引力作用,同时考虑多个天体之间相互引力作用下的运动则称为多体问题。海王星的发现是天体力学摄动理论的重大成就。到1830年偏差达20″,到1845年达2′,有人怀疑引力理论的正确性,有人认为这是由于未知行星的引力摄动。

天文学教程上册:引力摄动和海王星发现

在前述的行星绕太阳公转轨道运动中,只考虑了太阳对行星的引力作用,这称为二体问题。实际上,任何一颗行星不仅受到太阳的引力作用,而且还受到其他行星的引力作用,同时考虑多个天体之间相互引力作用下的运动则称为多体问题。迄今为止,只有二体问题在理论上完全解决了,而多体问题还没有解决,但在某些特殊情况下可以得到近似解。

实际上,由于行星的质量比太阳小得多,而且它们之间的距离又很远,不难估算出行星之间的引力远小于太阳对行星的引力,因此,在一级近似中,忽略行星之间的引力,分别考虑每颗行星受太阳引力的二体问题,可以得到各行星轨道运动主要的和基本的规律。在二级近似中,考虑太阳以外的其他天体引力影响,对一级近似做较小的修正。

一般把二体问题之外的所有作用力称为摄动力,把摄动力对二体问题的轨道影响(修正)称为摄动。例如,在讨论卫星绕行星的轨道运动时,太阳对卫星的引力(因距离远)就比行星对卫星的引力小很多,因而把太阳引力作为摄动力。准确计算人造卫星轨道时,地球大气的阻力以及地球形状和引力场分布也是摄动力。

考虑摄动力作用时,行星轨道受到哪些影响呢?一般地说,行星轨道不再是严格的椭圆,而是近于椭圆的复杂轨道。在某一时刻(称为历元)附近,行星的实际轨道可以用很接近的椭圆轨道(称为吻切轨道)代替。在每年的《天文年历》中给出特定历元的各行星吻切轨道根数(见表3-2)。

表3-2 行星的吻切轨道根数(历元:①2007年1月20日0时;②2007年9月8日0时)(www.xing528.com)

*地-月系质心值。

研究结果表明,各行星的6个轨道根数都有周期摄动,这较容易理解,因为行星都绕太阳做周期性会合运动,所以产生周期摄动。行星轨道根数也有长期摄动,主要是交点后退(西移)和近日点进动;轨道半长径和偏心率的长期摄动涉及太阳系的稳定性问题,但仍不很确定,至少几十万年内不会有很大的变化。

海王星的发现是天体力学摄动理论的重大成就。1781年威廉·赫歇耳发现天王星后,1821年法国天文学家A.布瓦尔德(Alexis Bouvard)计算它的轨道和位置,发现其总与观测位置不符,他说“究竟是远期观测不准确,还是受到另外的力作用,让将来研究吧”。到1830年偏差达20″,到1845年达2′,有人怀疑引力理论的正确性,有人认为这是由于未知行星的引力摄动。英国青年大学生约翰·亚当斯(John Adams)经两年的思考和计算,于1845年算出这个未知行星的位置和质量,他报告给几个天文学家,但未被重视。同年,法国青年助教U.勒威耶(Urbain Le Verrier)独立进行了计算,1846年发表报告,并写信告诉柏林天文学家J.G.伽勒(Johann Gottfried Galle),伽勒在9月23日收到信的当夜就在离计算位置1″处找到了它,后被命名为海王星。实际上,早在1612年12月26日伽利略已看到过它,只不过误认为移动的恒星,真是遗憾!

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