【宇宙科普】太陽系「高速公路」,天體轉移速度提升萬倍,是航太事業重要依據

天空之城 2020/12/13 檢舉 我要評論

你可能無法想像,在我們的太陽系空間中,隱藏著一條天體專用的「高速公路」。在這條通道上,天體的軌道轉移速度遠遠超過了我們的想像。

我們知道,太陽系中天體的軌道不是固定的,尤其是彗星、小行星這些小天體,很容易受到行星強大引力的干擾而發生軌道轉移。長期以來,科學家們都認為這是一個非常漫長的過程。

比如從木星軌道附近的區域到海王星軌道附近,二者之間相隔有近40億公里,非常遙遠。根據以往的理論,一顆天體想要完成如此大距離的軌道轉移,可能需要幾十萬、幾百萬年甚至更長的時間。而塞爾維亞貝爾格勒天文臺的Nataša Todorović和她的團隊發現,在太陽系這條被他們稱為「太空流形」的通道上,小天體只需要幾十年的時間就可以完成這樣的轉移。

當然,雖然比喻為高速公路,但這條通道看起來也不過就是普通的宇宙空間。因此,想要發現這樣的通道的確是一件非常不容易的事情。

首先,通過太陽系內相關小天體的運行模式,研究團隊發現了一些注意的地方。他們觀測的天體主要包括以下這幾個類群——

木星族彗星(JFCs):軌道通常在木星內側,軌道週期不足20年;

半人馬小天體(Centaurs):運行於木星與海王星軌道之間的天體,它們名義上是小行星,但會表現出彗星的一些特徵,因此身份至今是個謎;

外海王星天體(TNO):是目前人類觀測到最遙遠的一類天體,其軌道比最遠的行星海王星還要遙遠。

這三類天體基本上就是以木星軌道和海王星軌道為分界線來區分的,其中外海王星天體有時候會越過半人馬小天體變成木星族彗星。以往的類比結果顯示,這樣的過程短則需要1萬年,最長甚至可能要花掉10億年的時間!

不過,最近有一篇論文指出:太陽系內可能存在著一條與木星軌道相連的通道,連通著半人馬小天體和木星族彗星。

不過,這篇文章裡略過了一個問題,那就是拉格朗日點。所謂的拉格朗日點,就是兩個物體在相同的公轉軌道上保持一致運行規律的點。在這項研究中,我們就需要觀測木星的拉格朗日點。在太陽和木星的相互作用下,就會有流形空間出現。所謂的流形空間,大意指的就是局部具有平面幾何性質的空間。

為了探測這種太空流形,Todorović帶領著她的團隊利用一個名為 快速李雅普諾夫指示器(FLI)的設備進行了對這種天體混亂的探測。太陽系小天體的這種混亂與穩定或不穩定流形的出現有關,而這種指示器則可以在短時間內迅速捕捉到它所採用的動力學模型所表現出的一些細節特徵。

他們在論文中介紹:「在本次實驗中,我們利用FLI檢測了太空流形的存在和結構,並且捕捉到公轉時間尺度上的不穩定性。換句話說,我們通過這種敏感而且可靠的數學工具實現對太陽系內快速運輸區域的大致定義。」

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