行星是巨大的天体,所以在物理上称它们的重量是几乎不可能的,我们并没有像一个地球或木星大小的秤。因此,实现这一任务的唯一方法是通过理论方法来测量。听起来有点难……有多少求知欲强的人自愿承担这个宇宙任务?
图解:木星的大小比太阳小一个数量级(×0.10045),但仍比地球大一个数量级(×10.9733),大红斑大约有二到三个地球大(数量级相同)。
这个理论方法由物理学组成。事实证明,这个方法非常简单,几乎完全取决于地心引力。
科学的方法
当你站在秤上面时,秤测量的是地球引力对你的引力有多大,而地球引力的大小不仅取决于你的体重,还取决于地球的重量。行星越重,它的引力就越大,所以科学家可以通过测量地球对另一个物体的引力来测量地球的重量。
图解:万有引力使行星按照自身的轨道围绕太阳运转
首先,我们来确定地球的质量。牛顿万有引力定律告诉我们,两个物体之间的引力与它们的质量之积除以它们质心之间距离的平方成正比。为了简化计算,我们假设它们的地理中心是它们的质心(星体最大质量存在的点)。
既然我们知道地球的半径,我们就可以用牛顿万有引力定律来计算地球对物体的引力,即,它在地球表面的重量,用地球半径作为距离变量。
测量质量
通过观察行星引力对卫星轨道的影响,可以计算出行星的重量。行星和卫星之间的引力取决于这两个物体的质量和它们之间的距离。行星越重,引力就越大。
计算出行星与卫星之间的距离以及完成一次公转所需的时间后,就可以很容易地计算出行星的重量。谁能想到,用数学和物理就能如此简单地完成看似不可能完成的测量外太空物体的任务呢?
图解:两个物体互相吸引
行星质量是对类行星物体质量的测量。太阳系内行星通常以天文系统单位来测量,以太阳质量(M☉)为质量单位。在太阳系外行星的研究中,对于大型气态巨行星的测量,通常以木星的质量(MJ)为单位;对于较小的岩石类类地行星,通常以地球的质量(M⊕)为单位。
图解:内行星,水星、金星、地球和火星,大小的比较。
太阳系内行星的质量是编制星历表的一个调整参数。计算行星质量的方法有三种变化:
如果这颗行星有天然卫星,它的质量可以用源自于开普勒第三定律的牛顿万有引力定律来计算,其结果包括行星和卫星的质量。所以早期便可以以太阳质量为单位测量木星的质量。
行星的质量可以从它对其他行星轨道的影响中推断出来。1931年至1948年,这种方法的错误应用导致了对冥王星质量的错误计算。
可以使用从空间探测器轨道收集的影响数据来测量。例如,前往外行星的旅行者号探测器和前往水星的信使号宇宙飞船。
图解:信使号摄得的水星照片,这一个地区从未被水手10号探测过,距离水星地面约为27,000公里(17,000英里)
此外,还有许多其他方法可以给出合理的近似值。例如,对于在自身轴上旋转得非常快的潜在矮行星瓦卢纳,和矮行星哈默亚,通过一些计算,我们可以限制物体的密度。因此,如果知道物体的大小,就可以确定质量的极限。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. sciabc-土星使者LTT
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