各位应该不止看到过类似的话题:“如果太阳突然消失,地球多久后会从轨道飞出去?”,这个问题的答案大家都知道,大概8.3分钟后我们会看到太阳那个黑了,天空陷入一片黑暗,只有星星闪耀,但此时地球也“被出发”了,因为束缚它的引力消失,地球从轨道的切线方向出走了,速度就是此时公转的线速度。
牛顿经典力学时代,曾经不是这样理解的
牛顿从哥白尼的日心说以及开普勒的行星三大定律和伽利略的天体观测等前人的经验上,辅以自己的思考,总结出了万有引力定律:
表面上看起来在牛顿时代只有一个万有引力常数没有解决,但事实上确有两个,另一个是万有引力传播的媒介,牛顿以太认为是无处不在的以太。当然万有引力常数在牛顿去世70年后被卡文迪许以巧妙的扭秤实验所测定。
而以太却在1887年的某天被迈克尔逊-莫雷实验所否定,引力陷入了超距作用的尴尬,所以如果在那个时代抛出这个问题,得到的答案将是不怎么坚决的“在太阳消失的瞬间会立即从轨道上出走”!
引力的传播速度
爱因斯坦的广义相对论解决了牛顿万有引力超距作用的尴尬,将引力的传播定义为质量对于周围时空的扭曲,传递引力我们周围的时空,而引力传播的速度,爱因斯坦认为是光速,信息、能量与物质的传递都无法跨越光速,而引力同样会有一个极限。
但相比光速可以用装置来测定,比如上图中的菲索测光速实验原理图,但引力测量似乎很难,最早拉普拉斯测定的引力传播速度为光速的700万倍,很显然这个是错误的,但一直到引力波之前,引力速度测定都还在讨论之中,其中有两个比较典型的方案
其一,2002年美国科学家柯佩金和弗马龙在木星挡住一颗类星体时,利用位于美国和德国的射电望远镜阵列,试图测定引力的传播速度,他们测定的结果是光速的1.06倍,误差为20%。但天体物理学家指出,他们测定的不过是电磁波的速度而不是引力的速度,实验宣告失败。
其二,2013年来自中国的科学团队提出了重力固体潮牛顿理论公式中隐含了引力以光速传播的假定,并导出了引力传播速度方程,最终获得了“引力以光速传播”的观测证据。
而在2017年观测到距离地球1.3亿光年外的双中子星合并引力波时,发现引力波与电磁波几乎同时到达,但引力波稍稍提前一些,不过这并不说明引力波比光速更快一些,而是中子星合并时周围的物质遮挡造成电磁波出发时间比引力波慢了一个节拍,两者就速度而言是一样。
银心黑洞突然消失,银河系多久会散架?
银河系是一个直径约10万光年(最新数据是20万光年),有1000亿-4000亿颗恒星中等星系,根据太阳系的经验,现在我们可以理直气壮的回答这个问题了,引力传播速度是光速,因此银河系有多大,就会按距离的远近逐渐瓦解,比如地球约在2.6万年后飞走了,飞到哪里?不知道,希望飞向仙女星系,要不然可就真的成为流浪地球了!
事实上是这样吗?银河系真的散架,恒星各自飞走了?
1937年天文学家弗里茨·兹威基在观测后发座星团时发现,似乎这些星系的自转速度都太快了,如果按可见物质之间的引力来计算,很显然这些星系都不应该存在,因为自转速度太快,“离心力”大大超过引力,恒星早已各奔东西,但并没有,因此弗里茨·兹威基认为这些星系中存在大量看不见的暗物质。
尽管发现如此之早,但暗物质的概念却在将近半个世纪之后才确定下来,包括银河系,比如太阳系在围绕银心公转速度的“离心力”是超出了可见物质所能提供的引力,因此我们银河系中也存在大量看不见的暗物质。
因此太阳受到的约束作用并不只有400万倍太阳质量的银心黑洞Sgr A*的引力作用,也受到核球处大量恒星团的引力作用,更受到悬臂上无数恒星的引力相互作用,最后还有起决定性作用的暗物质。
根据显物质与暗物质的比例,银心黑洞质量约为太阳的400万倍,而整个银河系质量约为太阳的2100亿倍,黑洞在这个比例上是在小的可怜,而这个质量是根据大犬座矮星系围绕银河系公转的数据计算出来的,其中包括了暗物质的质量。
太阳系为什么没有被暗物质庇护?
有朋友解释了银河系为什么没有散架,却留下了一个太阳系为什么会散架的大坑,其实这可以从两个方面来解释太阳消失后太阳系为什么会散架。
1、从太阳和地球的质量和两者之间的距离,计算出引力,以及地球公转速度所产生的“离心力”,如果两者平衡,那么日地系统受到暗物质影响极小,太阳和地球的质量以及距离和公转速度都可以查到,有兴趣可以计算下,种花家曾经计算过,差一点点,当然可能小数取值的误差所致,因此我们认为暗物质对太阳系公转影响很小。
2、暗物质分布并不像暗能量一样是均匀分布的(科学家认为暗能量均匀分布),因此太阳系所在位置的暗物质密度也很关键,据测定太阳系所在的暗物质密度为0.0088+0.0024-0.0018 M☉pc^-3,这个密度下的质量对太阳系引力影响几乎可以忽略,简单的说太阳系系不够大,显物质的引力处于绝对优势。