物理雙星系統附近也能存在行星
行星繞著雙恒星運轉示意圖
人們在過去傾向於認為雙星系統不會擁有行星，因為在雙星系統中，行星很可能不是被其中壹顆恒星吸進去就是被甩到宇宙空間。不過到1996年天文學家就在天鵝座的天鵝-π(π Cyg，中國古代叫螣蛇四)這個雙星系統就發現了壹顆行星，打破了人們昔日的結論。
天鵝-π是由主星Azelfafage(π1 Cyg)的和伴星π2 Cyg組成的雙星，這顆有1.69倍木星質量的行星以798.9天的周期圍繞著這顆伴星旋轉，而伴星又帶著她同主星Azelfafage繞轉。也許是由於受到主星的影響，這顆行星的繞伴星旋轉的軌道偏心率非常大，達到0.67，是壹個很長的橢圓軌道，軌道的半長軸是1.67個天文單位。
不過總的來說，這個行星和塔圖因的情況不象，因為這顆行星只和那顆伴星關系密切，天鵝-π的主星Azelfafage遠在700個天文單位以外，而冥王星距離太陽最遠的時候也不過50天文單位。所以這個行星其實和我們地球類似，當單星系統理解也沒什麽問題。在那個星球上看天，也只有壹顆太陽，Azelfafage和其它星星壹樣只是壹個點，只不過這個星星特別的亮而已。
6年後，天文學家第壹次發現了圍繞密近雙星運行的行星。在距離我們45光年的仙王-γ雙星系統中，有壹顆行星圍繞較亮的那顆恒星運轉。該恒星質量大約是太陽的1.59倍，行星的質量則約為木星的1.76倍。新行星距離主星約2個天文單位，稍遠於火星與太陽的距離。該雙星系統中的另壹恒星與主星的距離約25－30個天文單位，大約與天王星和太陽的距離相當。在這樣的星球上，就的確如同塔圖因那樣有兩個太陽照耀了，如果這個星球上有文明的話，他們肯定創造不出“天無二日”這樣的話。
藝術家筆下描繪的仙王-γ 雙星系統中的行星和兩顆結伴而行的恒星。做為前景的行星每隔2.5年就環繞那顆明亮的黃星運行壹周。
新行星在距離主星約2個天文單位的軌道上繞其運轉，該雙星系統中的另壹個子星距離主恒星僅由25－30個天文單位。上圖中軌道大小是按比例畫的，天體大小則未按真實比例。
不過天文學家對於這個行星為什麽會存在感到好奇，因為在這種雙星系統生成初期的塵埃盤應該難以凝聚成為行星，看來我們對這方面的認識需要進壹步加深。不過也可能這個行星是從別處俘獲的。
研究雙星系統中的行星，最有趣也最重要的是研究它們的軌道，因為基本可說軌道決定了這個行星上的壹切，包括接受陽光的多少，潮汐力的大小，季節的變化等等，如果想知道壹個星球是否有出現生命的可能，這些無疑都是重要的考量範圍。下面我介紹壹下行星的軌道類型
在最初研究時為了簡化情況，首先我們先設定五個條件
1、兩恒星質量相等
2、兩恒星分享壹個正圓型軌道
3、行星軌道和雙星軌道在同壹平面上
4、行星的質量相對雙星來說可以完全忽略
5、沒有潮汐效應
我們並把行星軌道分兩種，壹種是在外圍同時繞兩個恒星運轉，稱為外圍軌道；壹種是只繞其中壹個恒星運轉，稱為內部軌道。
大外圍軌道
行星圍繞雙星的軌道中最簡單的，是行星距離雙星非常遙遠，這樣來自雙星的引力會近似於壹顆質量為它們兩者之和的恒星，在這樣的情況下，行星將會沿壹般的橢圓形軌道同時繞這兩顆恒星運行。盡管天上總是有兩顆太陽同時照耀，但這樣的行星無疑會和冥王星壹樣寒冷。
行星的軌道運轉方向和兩顆恒星相互繞轉的方向壹致，對此我們稱為順行，在這種系統中逆行也不影響穩定性。兩顆恒星被設定為質量相等，行星距離系統中心的距離是兩恒星之間距離的10倍，公轉周期是雙星繞轉周期的31.6倍。其實距離只要達到8倍左右，兩顆恒星的引力加總後的變動範圍就已經很接近單顆恒星了。需要註意的是，我們目前先將行星軌道考慮為正圓，現實世界中的軌道應該是個或圓或扁的橢圓，這點我們到後邊再考慮。
行星同兩顆恒星三者間按不同的方位排列時，受到的引力大小是不同的，在8倍距離以上時最大值和最小值之間的差距很小，但隨著行星距離中心的距離縮小，引力加總後的波動範圍就將增大。所以當行星距離中心近的時候，就不能把兩顆恒星近似考慮成壹個等於它們之和的大恒星，其穩定關系也將變化。
行星距離系統中心的距離是兩個恒星之間距離的2倍，公轉周期是雙星繞轉周期的2.77倍。由於三者之間位置的變化，引力的效果將使得行星軌道不會近似上圖的圓形，但幅度比較小，而且整個系統將是完全穩定存在的。在我看來，遍布沙漠的就是這壹類行星，這樣的行星上，兩顆太陽會結伴同升同落。
而讓人驚訝的是，如果這個行星不是逆行而是順行，整個系統將無法穩定存在，行星不是被恒星吞了就是要飛出去。為什麽逆行穩定而順行不穩定？這是因為順行行星承受的引力場強度波動和逆行行星承受的振幅相同但周期更長，較長的周期將會減弱穩定的效果最終導致失衡。
小外圍軌道
根據剛才說的，小外圍軌道中只有逆行才能穩定存在，順行必然無法長久。
恒星逆行，周期是雙星繞轉周期的0.6倍，也就是說完成壹個公轉比雙星繞轉壹周要快得多，和前述2倍距離行星的軌道比，它的軌道已經出現了明顯的波動，同中心的距離是兩個恒星之間距離的0.84倍到0.74倍之間，而每顆恒星到中心的距離自然是0.5倍。行星同中心的距離變化規律是這樣的：當行星和雙星三者處於同壹條直線上，行星距離系統中心最遠；當行星和兩顆恒星距離壹樣時(也就是說與兩恒星組成壹等腰三角形時)，行星距離系統中心最近。
現在，讓行星和系統中心再接近些，則軌道的波動會進壹步增大，距離最遠為0.70倍雙星間距，最近為0.55倍。行星公轉周期為雙星繞轉周期的0.42倍。
行星逆行軌道周期是1倍雙星繞轉周期，軌道形狀就成了這個發圓的正方形，行星每公轉壹周都會出現4次和兩恒星組成壹條直線的情形。
現在，行星公轉周期是雙星周期的0.5倍，出現這個發圓的三角形，行星每公轉壹周都會3次和兩恒星組成壹條直線。
公轉周期變成1/3倍，在這種情況下，有時行星都跑道雙星繞轉軌道之內了。
到這壹步，其實都已經是理論上的東西了，因為隨著我們把行星推得越來越靠內，這顆倒黴的行星總要被潮汐力撕裂的，具體什麽時候會裂，取決於這些星體的大小。
偏心外圍軌道
到目前為止我們都在討論非常接近圓形的外圍軌道，如果壹個行星的軌道是有偏心率會怎樣？
壹個以高偏心率的逆行橢圓軌道圍繞雙星運轉的行星，公轉周期大約是12.5倍雙星周期，最遠距離達到雙星間距的10倍。而橢圓形軌道會沿著行星公轉的同壹方向繞著雙星核心漂移。
復雜外圍軌道
我們已經從正圓過渡到橢圓，向現實世界接近了壹步，現在讓我們再進壹步過渡。我們把假設的頭壹條去掉，因為現實世界中不會出現兩顆恒星質量相等的情況，而當它們不等之後，第二條也將被去掉，因為它們之間繞轉的軌道必定不再會是壹個正圓，而是以各自的橢圓軌道相互繞轉。
行星則有壹個逆行的外圍軌道，而且有不小的質量，行星和兩顆恒星之間的質量比為1:10:20。這種非常接近現實的情況下，由於引力場復雜了，軌道要復雜得多，但是軌道仍將是穩定的。
行星對恒星的軌道攝動會有幾個效果：雙星的質心會繞整個三體系統的質心旋轉；兩顆恒星相互繞轉的軌道不會是標準的橢圓，而且軌道將會漂移。
最小的橢圓軌道屬於質量最大的那顆恒星，中等的橢圓軌道屬於質量小的那顆恒星，而最大的橢圓軌道屬於行星。
由於存在潮汐效應，如果出現行星距離恒星太近，以至於潮汐效應太大的情況，軌道將不會穩定。
到現在，5個前提條件已經被去掉4個。但如果加上軌道傾角的考慮，就不是這種二維模型能解決的了，其復雜度將大為增加，這篇文章將不考慮繼續深化。不過可以說的是，即使加上軌道傾角也並不會降低系統穩定性。
內部軌道
到目前為止，我們還沒有發現過具有外圍軌道的行星，我在開篇介紹的那兩顆行星都屬於是在內部軌道上運轉的行星。
在前面介紹仙王-γ雙星系統中的行星時，給出的軌道圖似乎是壹顆恒星不動，另外壹顆恒星繞之運轉。其實真正的軌道圖應該是：兩顆恒星是相互繞轉的，行星的軌道也就不會是前面介紹仙王-γ時的那麽簡單。
開篇介紹的那兩顆行星都是距離其中壹顆恒星近，而距離另外壹顆相當遠，這種情況下，行星受的引力場影響其實和單獨的恒星系統沒多大差別。行星繞其恒星公轉的周期等於雙星相互繞轉周期的0.042倍。如果是逆行軌道，在這樣的距離壹顆恒星近而距離另外壹顆相當遠的情況下，順行也是穩定的。然而，如果行星的軌道範圍擴大，從而和另外壹顆恒星也很近的時候，順行將成為不可能。只有逆行軌道才可能出現。行星和其繞轉的那顆恒星的距離等於雙星距離的壹半。如果進壹步接近另外壹顆恒星，讓行星和其繞轉的那顆恒星的距離等於雙星距離的0.67倍。
把上面軌道模型叫做冰激淩勺軌道，因為行星軌道的樣子和我們吃冰激淩時用的木勺壹樣。行星的公轉周期和雙星的繞轉周期是完全相等的，行星其實是只繞著標誌為PARENT STAR的恒行轉，但由於另外壹顆恒星的影響，已經看不太出來這種關系了，有的時候行星距離另外壹顆恒星的距離比同它真正繞轉的恒星還近。
這種模型是很有意思的，但是現實中能否有這樣的巧合就不好說了。而且兩顆恒星的距離不能太近，因為太近了恒星間將出現物質交換，當行星正好運轉到兩恒星之間的時候，會被交換的物質化為壹片飛灰。
把前面的簡化壹下，讓兩顆恒星的位置保持不變，這樣行星軌道就不出現漂移，也就能看清楚行星軌道受的影響了。
最後，兩顆恒星同行星三者之間組成壹個正三角形的情況也會出現，根據拉格朗日在“三體問題”中的證明，它們將始終保持正三角形的相對位置不變，就如同特洛伊群同木星和太陽的關系壹樣。當然，這樣只會有順行，不會有逆行，否則行星會直接撞到恒星上。
我們目前考慮的都是壹個行星和雙星間的關系，再多的話呢，在雙星中輔星的前後拉格朗日點上各壹行星的關系肯定是沒問題的。其他情況就復雜了，各個行星間的相互攝動將超出這裏介紹的範圍。但可以預料到的是，這種行星系統完全可能出現，我們經常說如果木星大壹些的話就太陽系就可以成為壹個雙星系統，如果真是如此的話，我們的太陽系不就是這樣的例子嗎？倘若不考慮木星的恒星風對形成行星的早期雲盤的影響的話，讓其他行星都能照舊形成，那麽我們的地球和水星、金星、火星就是屬於內部軌道運轉的行星，也就是說只繞太陽，不繞木星，而且由於距離太陽近，順行也沒關系。海王星和更外的行星是大外圍軌道，同時繞太陽和木星兩顆恒星轉。至於土星，則復雜了點，兩恒星的距離是5.2天文單位，恒星的質量重心肯定靠近太陽，但不論如何土星和系統中心的距離都不會大於5.2天文單位的2倍，屬於小外圍軌道。作為行星的木星是不會影響什麽的，但是作為恒星的木星質量要大得多(至少需要比現在大80倍)，從而對於順行的土星有不利影響，土星是無法穩定存在的。介於土星和海王星之間的天王星，則看木星質量到底多大才能決定生存的可能。
至於多了壹顆木星太陽照耀的地球是否能產生生命，就有待商榷了，不過可以料想的是，如果在地球上有文明的存在的話，它的天文學和物理學發展恐怕要比較慢。由於那裏白天長黑夜短，的第谷恐怕積累不了太多的觀測資料，開普勒從而缺少資料來分析，而且由於木星的質量比現在大許多，那種雙星系的行星系統中行星的運轉過於復雜，開普勒恐怕窮其壹生都分析不出開普勒三定律，而沒有開普勒三定律為基礎的話，牛頓就算被1千只蘋果打破了頭也創立不了萬有引力定律。
(新浪博客提示：此博文已經過自動調整，以便在移動設備上查看)
標簽： 文化 地球 雜談 知識/探索
閱讀：655 轉載：3 喜歡：4 收藏：0
分享：
< 上壹篇下壹篇 >
請 登錄 或 註冊
評論
所有評論(0)
轉載 喜歡 收藏 微博
熱門博文
水皮雜談：中國大媽何時進場？
周三早間市場信息
8月6日 早間股市新聞匯總
淘氣天尊：空倉等待跳水是壹種享受！
主板回踩2200意在突破2400
查看全部熱門博文
電腦版PAD版
copyright ? 1996-2015 sina corporation
新浪公司 版權所有