水星是太陽系內(nèi)體積和質(zhì)量最小的行星,繞太陽公轉(zhuǎn)一圈需要88天。水星距離太陽平均5800萬公里,水日之間的距離是太陽直徑的42倍,放在廣袤無垠的宇宙空間中來看還是蠻近的,它是離太陽最近的一顆行星。雖然離太陽比較近,但由于比較小,在地球表面肉眼不常見。
由于離太陽較近,水星正對太陽的表面溫度高達(dá)452攝氏度,但這并不足以熔化水星。在太陽風(fēng)的高速轟擊下,表面的一些物質(zhì)被逐漸剝離,這導(dǎo)致水星上完全沒有空氣,只剩下一個主要由金屬構(gòu)成的巖體。它大約由70%的金屬和30%的硅酸鹽組成,平均密度在太陽系八大行星中是第二高的,僅次于地球。
水星離太陽這么近,又這么小,為何沒有被太陽吞噬?或者說,為什么沒有掉到太陽上?這個問題其實在牛頓時代就已經(jīng)被解決了,類似的還有“月球為什么沒有墜向地球?”。
水星從誕生起就具有一定的速度。宇宙空間幾乎完全是真空,廣袤無垠,水星的運動幾乎不會受到阻力,由于存在巨大的慣性,水星幾乎可以永遠(yuǎn)運動下去。
任何有質(zhì)量的物體之間都存在相互吸引的力,這個力被稱之為萬有引力,太陽、地球、水星和月球等天體的運動就與萬有引力有關(guān)。由于太陽的質(zhì)量比水星大很多,在太陽引力的作用下,水星的運動軌跡會不斷發(fā)生改變,就會繞著太陽公轉(zhuǎn)。
實際上是繞著它們的共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn),不過這個質(zhì)心在太陽上。如果沒有引力,水星將會飛出軌道,在宇宙中漂流。
在17世紀(jì),德國天文學(xué)家開普勒就根據(jù)第谷等人的觀測數(shù)據(jù)總結(jié)出了關(guān)于行星運動的初步規(guī)律。
水星以近橢圓軌道繞太陽公轉(zhuǎn),其公轉(zhuǎn)軌道與水星的質(zhì)量和大小無關(guān),而與兩者之間的距離有關(guān)。
行星的公轉(zhuǎn)速度會隨著公轉(zhuǎn)軌道半徑的增加而減小,距離遠(yuǎn)了,速度慢了,公轉(zhuǎn)周期自然會變長。比如,水星繞太陽公轉(zhuǎn)的平均速度為47.9千米每秒,地球離太陽更遠(yuǎn),它繞太陽的平均公轉(zhuǎn)速度為30千米每秒,繞太陽一周大約需要365天。木星是太陽系內(nèi)最大的行星,距離太陽更遠(yuǎn),可公轉(zhuǎn)速度并不快,僅為13千米每秒,而繞太陽公轉(zhuǎn)一周則需要11.86年。
引力的大小由兩個天體之間的質(zhì)量和距離共同決定,距離越近,兩個天體之間的質(zhì)量越大,它們之間的引力就越強(qiáng)。兩個天體之間雖然存在引力,但這并不意味著小質(zhì)量的物體就必然會掉向大質(zhì)量的物體。
只要速度達(dá)到環(huán)繞速度,就能夠繞著該天體旋轉(zhuǎn),而不掉向該天體。人造衛(wèi)星與地球之間的距離就比月球與地球之間的距離更近,但是當(dāng)人造衛(wèi)星達(dá)到7.9千米每秒時,便不會掉向地面。月球沒有撞向地球,水星沒有墜向太陽表面,都是這個道理。
太陽系誕生于一片旋轉(zhuǎn)的星云,太陽和八大行星等天體形成之前,它們就具有一定的旋轉(zhuǎn)速度。形成過程中,速度不夠的都掉到太陽上去了,八大行星等都是因為擁有足夠快的速度,才沒有掉到太陽上去,被太陽吞噬。行星自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的動力都繼承于該星云。
行星繞恒星的運動過程中,引力提供了向心力,而離心力(一種虛擬力,并不真實存在)的提供者則是行星的運動慣性。當(dāng)這兩個力之間保持平衡,水星的公轉(zhuǎn)軌道也會保持穩(wěn)定,水星既不會掉到太陽上去,也不會遠(yuǎn)離太陽。即使把太陽換成黑洞,只要水星的公轉(zhuǎn)速度足夠快,沒有進(jìn)入黑洞視界范圍,也不會掉進(jìn)黑洞。
只要速度足夠快,還能夠擺脫該天體的引力束縛,這個最小的速度被稱之為天體表面的逃逸速度。地球表面的逃逸速度又叫做第二宇宙速度,大小為11.2千米每秒,也就是說只要物體的運動速度達(dá)到這個速度就能夠脫離地球引力的束縛。而對于太陽這樣的龐然大物,其表面的逃逸速度高達(dá)617.7千米每秒。距離太陽越遠(yuǎn),受到太陽引力的影響也就更弱,擺脫太陽引力所需要的速度也就更小。在地球軌道,要擺脫太陽的引力束縛,速度要達(dá)到第三宇宙速度,即16.7千米每秒。
即使距離很近,當(dāng)水星擁有足夠快的公轉(zhuǎn)速度,仍然不會被太陽吞噬。不過,水星與太陽的距離不能超過洛希極限。如果距離過近,超過了水星的剛體強(qiáng)度,太陽巨大的潮汐力將會把水星撕碎。
帕克探測器由NASA發(fā)射于2018年8月,它是人類發(fā)射的距離太陽最近的探測器。其在第一次近日飛行時就打破了阿波羅2號探測器于1976年創(chuàng)下的距離太陽表面4273萬公里的紀(jì)錄,達(dá)到了2400萬公里。2020年1月,帕克探測器完成了第四次近日飛行任務(wù),距離太陽最近時僅1867萬公里。
預(yù)計到2024年,帕克太陽探測器距離太陽最近時僅600萬公里,到那時,帕克太陽探測器在近日點繞太陽公轉(zhuǎn)的速度將達(dá)到200千米每秒,不過那時它也將完成探測使命。如此快的速度,主要是太陽引力的加速作用。
探測器無論是繞地球運動,還是繞太陽運動,在運動過程中的總能量幾乎保持不變。當(dāng)探測器靠近太陽時,引力勢能減小,動能就必然會增加,公轉(zhuǎn)速度自然也會加快,這就是探測器在近日點會加速的原因。在這種動態(tài)平衡狀態(tài)下,如果水星距離太陽更近一些,它的公轉(zhuǎn)速度也會更快,這保證了水星不會掉向太陽。
水星的公轉(zhuǎn)軌道并非一成不變,會受到多種因素影響。
水星在太空中運動時并非毫無阻力,會受到其它天體引力的影響,速度會逐漸變慢。而根據(jù)廣義相對論,引力本質(zhì)上是時空彎曲,質(zhì)量越大的物體對時空的彎曲效應(yīng)越強(qiáng)。水星在繞太陽運動的過程中除了會發(fā)生進(jìn)動現(xiàn)象,還存在引力輻射,水星的動能會被引力波帶走。在這些作用的影響下,水星會以螺旋形式逐漸向太陽靠近。
不過,隨著太陽的不斷燃燒,太陽的質(zhì)量會減小,引力束縛會變?nèi)?,水星的軌道又會向外移。此外,陽光照射到物體表面,會對物體施加一個壓力。面對太陽這樣的巨大光源,太陽施加的輻射壓力也會使水星的軌道向外轉(zhuǎn)移,不過這種影響比較微弱。
在這些影響中,究竟誰強(qiáng)誰弱,并不好判斷。
雖然在太陽的有生之年,水星并不會掉到太陽上去,但并不代表水星不會被太陽吞噬。大約在50億年后,太陽將會衰老死亡,到那時,太陽的體積將會膨脹許多倍,連金星也將會被吞噬掉,水星自然也逃脫不了這個命運。