马蹄形轨道

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

马蹄形轨道是小天体相对于大天体 (地球) 共轨运动的一种形式。小天体的轨道周期非常接近大的天体,而从大天体的旋转参考系看它的路径呈现马蹄的形状。

回圈并未闭合,但是每一次都会略为飘向前方或后方,因此在漫长的周期中,它环绕的点会沿著地球轨道平滑的移动。当小天体非常接近地球时,无论是在哪一个端点,都会被弹开而改变视运动的方向。在整个循环期间,在地球之间形成喇叭,中心的轨迹描绘出马蹄形

相对于地球有著马蹄形轨道的小行星包括:(54509) YORP2002 AA29、和2010 SO16,还有2001 GO2可能也是。更广泛的定义包含(3753) 克鲁特妮,它可以说是混合的或是过渡轨道[1],或(85770) 1998 UP12003 YN107

土星的卫星JanusEpimetheus彼此互为马蹄形轨道 (在这个例子,没有重复的回圈,每个轨迹相对于另一颗都是完整的马蹄形)。

马蹄形轨道循环的解说[编辑]

背景[编辑]

下面的说明涉及一颗受到地球影响,但仍环绕著太阳的小行星。

这颗小行星有著几乎和地球一样的轨道,两者均需花费一年绕太阳一周。

它也仍需要遵守轨道力学的两个原则:

  1. 天体在完整的轨道上,靠近太阳时的速度较快,远离太阳时的速度较慢。
  2. 如果天体沿著轨道加速,它的轨道会外移;如果减速,它的轨道会内缩。

马蹄形轨道的出现是因为地球的引力改变了小行星椭圆轨道的形状。形状的变化虽然很小,但相对于地球的结果变化却很重大。

小行星的运动在相对于太阳和地球的移动时才会出现,这颗小行星始终以相同的方向环绕太阳。然而,经过一轮与地球的追赶与落后之后,使其相对于地球和太阳的运动轨迹呈现马蹄形轮廓的形状。

轨道的阶段[编辑]

图一. 图面显示沿著轨道的引力线可能的轮廓,地球 (和它完整的图像) 以逆时针方向围绕著太阳运转。
图二. 稀疏的马蹄形轨道。

从介于L5和地球之间内圈的A点开始,这颗卫星运行的比地球快些,它是朝向地球和太阳之间运行。但是地球引力施加向外的加速力,将它拉入较高的轨道 (依据克卜勒第三定律),这会减少它的角速度。

当卫星抵达B点,它以和地球相同速度运行。地球的引力依然会使它沿著轨道加速,并且继续将他拉入更高的轨道。最后,在C点,它达到足够的高度,使它又足够的轨道,并且开始缓慢的落于地球之后。然后,从地球看来,它开始花上一个世纪或更久的时间飘移'倒退',而它环绕太阳的轨道时间只是比地球的一年长一点。

最后,它抵达D点,地球的引力限在是减缓它的轨道速度,造成它墬入较低的轨道,而这会使它的角速度加快。这种状态会持续下去,直到它的轨道比地球低,而速度比地球快些。抵达E点之后,它开始远离并且超前于地球,再经过数个世纪,它完成整个旅程再度回到A点。

能量的观点[编辑]

能量守恒的观点来看,是相等的,但是有修不同。这是古典力学的定理:物体在与时间无关的势场中运动,它的总能量,E = T + V是守恒的。此处,E是总能量,T 是动能 (永远是正值),还有 V是势能 (位能,通常都是负值)。很明显的,在质量为M的天体附近时,V = -GM/R。在固定的参考系下,在它落后在M后方的区域时,V的值将增加;而当他超前于M前方的区域时,V的值将减少。然而,当在总能量较低的轨道时,轨道周期将缩短。因此在行星前方的天体会因为失去能量而减缓,进入周期较短的轨道,因而距离逐渐拉开,或说是被逐退。尾随著行星的天体将获得能量,并缓慢的上升至能量较高的轨道;同样的,在另一侧的会失去能量并逐渐远离与降低轨道。因此一颗小天体会在轨道上超前与落后的位置上前后移动,但永远不会太接近行星,或进入行星引力主导的区域内。

蝌蚪形轨道[编辑]

上面的图一也显示出环绕著L4和L5,周期较短的轨道 (例如,靠近蓝色三角形的线)。它们称为蝌蚪形轨道,除非小行星振荡的距离远离至太阳另一侧的拉格朗日点L3,否则也可以用类似的方法来解释。 当它接近或远离地球,地球的引力场会造成他的加速或减速,使它在轨道上产生有如已知的天平动的变化。

一个蝌蚪形轨道的例子是Polydeuces,土星的一颗小卫星,他相对于大卫星 Dione,尾随著在L5的位置上振荡著。

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Apostolos A. Christou, David J. Asher. "A long-lived horseshoe companion to the Earth", arXiv, arXiv:1104.0036v1

外部链接[编辑]