太阳系是扁平状的结构,人类发射探测器时,为何不垂直飞出?

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我们的太阳系是一个扁平的结构,太阳居中,八大行星几乎都在同一个平面运动,这个平面被称为黄道平面。那你知道太阳系为什么是扁

  我们的太阳系是一个扁平的结构,太阳居中,八大行星几乎都在同一个平面运动,这个平面被称为黄道平面。那你知道太阳系为什么是扁平的,而不是一个球形或随机分布的结构吗?更奇怪的是,当人类发射太空探测器时,为何不选择垂直向上飞出太阳系呢,这背后的原因是什么?

  太阳系为什么是扁平的?

  要理解太阳系为何扁平,首先得回溯到约46亿年前的太阳系起源。在46亿年前,太阳系是从一个巨大的气体和尘埃云中诞生。原本这团气体云安静的漂浮于银河系的角落,但有一天某种外来力量(可能是超新星爆发)扰动了这片星云,使其局部密度增高,触发了引力坍缩,大量气体云开始向高密度区域聚集,在收缩过程中因角动量守恒,逐渐旋转成盘状结构。就像滑冰运动员收紧手臂加速旋转一样。

  所谓?角动量守恒?就是一个物体在不受外力矩作用时,它的角动量是保持不变的。这意味着当云团收缩时,半径减小,旋转速度加快,会导致赤道方向的物质被甩向外侧,形成一个扁平的盘面。垂直方向的物质则因引力而塌陷到盘中。

  扁平的盘面我们可以称之为原行星盘,在原行星盘中大多数物质都聚集于中心,形成了原始太阳,而剩下的一些尘埃颗粒、气体,则碰撞聚集形成行星。同时这些行星继承了盘面的轨道平面和角动量,因此它们几乎都在黄道平面上运行。只有少数小行星或彗星有较大倾角,但整体太阳系仍呈扁平状。

  如果太阳系不是扁平的,而是球形的,那么行星轨道会杂乱无章,碰撞频繁,难以形成稳定的系统。扁平结构是宇宙中星系和行星系统常见的默认模式”,如银河系的银盘也源于类似过程。这解释了为什么太阳系像一张薄饼,而不是一个球。

  探测器发射为什么不垂直向上飞?

  现在我们说说人类发射太空探测器时,为何不选择垂直向上飞。太阳系作为一个扁平的结构,很多人可能会认为如果垂直向上飞,不是能更快的飞出太阳系吗?

  其实不然,我们知道要飞出太阳系,航天器需要克服太阳的引力束缚,达到所谓的第三宇宙速度,即相对于太阳的逃逸速度。这取决于航天器与太阳的距离和太阳的引力,而太阳的引力场近似球对称,逃逸速度只与距离有关与方向无关。无论是沿黄道面还是垂直方向,都需要达到太阳系的逃逸速度才能飞出太阳系。因此,理论上垂直飞行的引力和水平飞行无差别。

  而且要想垂直飞出太阳系,需要携带更多的燃料,从地球发射,航天器需先达到11.2千米/秒摆脱地球引力,再加速到42.1千米/秒摆脱太阳。而沿黄道面可利用地球的公转速度,大约是30千米每秒作为免费动能,垂直方向则需额外提供这部分速度。

  之后还能通过木星、土星等大行星的引力,利用引力弹弓效应为航天器提供巨大加速。例如旅行者1号便是通过木星加速,从12千米每秒提升到了17千米每秒。而垂直飞行则无法利用这些行星的引力,需完全依赖火箭推力,极大增加燃料需求。因此垂直飞行在路径上不具优势,反而因无法利用行星引力而更困难。

  总结来说就是垂直飞行缺乏行星引力辅助和地球公转速度的免费动能,导致能量成本更高、效率更低。因此沿黄道面利用行星引力仍是飞出太阳系的最佳路径。所以如果我们想飞出太阳系,答案不是向上飞,而是飞得够快。

  

  编辑:陈方

  

  一审:李慧

  二审:汤世明

  三审:王超

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