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给行星连续拍照,为什么有时隔得远,有时挤在一起?

每过相同时间拍一张,照片之间的空隙会告诉你它走得快不快。

行星与太阳系小天体

拍一辆经过的自行车,如果每隔一秒拍一次,它快时,两张照片的位置就隔得远。现在用同样的方法看行星:在相同的时间里,它沿轨道走过的路并不总一样长。

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先猜一下

每隔相同时间拍一张照片,照片之间隔得越远,说明?

查看答案与解释

走得越快 — 相同时间里走过的路更长,所以运动更快。

再把体验和科学连起来

先画出轨道和太阳

太阳在椭圆的一个焦点,不在中心。e 越大,轨道越扁。

e = 焦距 / 半长轴

用一个匀速角代表时间

M 匀速增长,表示自近日点以来经过了多少比例的周期,但不是行星真实角位置。

M = 360° × 已过时间 / 周期

解出辅助角 E

用一次次修正寻找满足方程的 E。下面的残差表显示误差如何缩小。

M = E − e sin E(计算时用弧度)

回到真实的轨道位置

从 E 得到椭圆上的点,再从太阳看过去,才得到真实角度 ν。

x/a = cos E − e;y/a = √(1−e²) sin E

把计算链展开

M弧度 = M度 × π/180 f(E) = E − e sin E − M E新 = E − f(E)/(1 − e cos E) x/a = cos E − e y/a = √(1−e²) sin E ν = atan2(y/a, x/a)

迭代中的M、E和三角函数采用弧度。最后才把E与ν转回度;不能把以度计的E直接与e sin E相减。

试一试

先把 e 设为 0,再改为 0.8。保持 M = 60°,看看真实角度发生了多大变化。

动手看一遍 →

符号不用背

e
偏心率,本课为 0 ≤ e ≤ 0.9
M
平均近点角,随时间匀速增长
E
偏近点角,辅助圆上的角
ν
真近点角,从太阳看行星的方向角
r/a
太阳到行星距离与半长轴之比

算法、精度与适用范围

原书第 30 章给出多种解法;这里使用牛顿迭代,并用 AA+ 的不同求解路线以及代回方程的残差核验。图用半长轴归一化,不对应某颗行星的真实轨道;仅支持椭圆轨道,不处理抛物线或双曲线。

我的理解检查

太阳附近的等时间快照更疏,意味着行星怎样运动?

更快 — 快照间隔相同,位置间距更大表示走得更快。

把轨道改成正圆,快照间距会怎样?

趋于相同 — 圆轨道中的角速度与速率都恒定。

自行车连拍这个类比,能说明行星有发动机吗?

不能 — 类比只帮助读懂“距离/时间”的速度含义;行星的运动由引力等物理规律决定。

相同时间拍下的位置越分散,行星在那里就走得越快。

Jean Meeus · Astronomical Algorithms, 2nd ed. · 第 30 章

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