太陽系的八大行星圍繞著太陽分別作不同的周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，如果從太陽系外觀測，那么這八大行星基本處于一個(gè)平面之內(nèi)，它們旋轉(zhuǎn)的軌道組成的平面就像一個(gè)圓盤一樣。而我們向太空發(fā)射的眾多探測器，基本上也都是順著這個(gè)圓盤的方向螺旋前進(jìn)，感覺好像走了很多的冤枉路，那么為何不垂直于公轉(zhuǎn)軌道平面直接飛出去呢，這樣豈不走的路程更短？
太陽系是扁平的嗎？
我們在網(wǎng)絡(luò)上看到的很多關(guān)于太陽系的圖片，各大行星都是沿著一個(gè)共同的軌道平面圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，但這僅是大質(zhì)量天體運(yùn)轉(zhuǎn)形成的一個(gè)近似平面，并不代表著就是太陽系的全部，而關(guān)于這些行星為何以這么一種圓盤形狀圍繞太陽公轉(zhuǎn)，接下來我會再作分析。
太陽系所包含的空間有多大，這一直以來都是科學(xué)家們進(jìn)行探索研究的重要領(lǐng)域之一。從一開始的地外星體觀測法開始，將最終發(fā)現(xiàn)的行星作為太陽系的邊界，從而一度將冥王星作為太陽系的最外邊界，但是后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)冥王星不具備作為行星的基本條件，即不能清除自身運(yùn)行軌道內(nèi)的其它星體，于是將其排除在太陽的行星行列，之所以這樣，原因就在于冥王星軌道附近，相繼發(fā)現(xiàn)了更多的類似冥王星的星體，而這些行星只能算是矮行星類，科學(xué)家們將這些冥王星之外的眾多矮行星和小行星劃歸為柯伊伯帶。
由于觀測能力的限制，人們很難全面地觀測到柯伊伯帶以外的星際空間狀況，因此科學(xué)家們轉(zhuǎn)換了研究思路，逐漸將太陽的引力范圍之內(nèi)的區(qū)域劃定為完整的太陽系。而如果按照萬有引力公式，兩個(gè)天體之間的引力值，除了與自身重量成正比外，還與它們之間的距離平方成反比，理論上太陽引力范圍應(yīng)該可以達(dá)到無限遠(yuǎn)，只不過在距離很遠(yuǎn)的區(qū)域，引力值會變得很小，而且還極易受到其它天體的影響。所以，在判定太陽引力范圍時(shí)，科學(xué)家們綜合考慮目標(biāo)區(qū)域的宇宙環(huán)境、與太陽的距離以及其它天體影響因素，將可以對目標(biāo)星際物質(zhì)產(chǎn)生明顯引力擾動效應(yīng)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。
在這個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)之下，科學(xué)家們將太陽系的邊界確定為距離太陽1.6光年左右，也就是說直徑在3.2光年。在這個(gè)范圍之內(nèi)，太陽系被包裹在一個(gè)巨大的球體之內(nèi)，在柯伊伯帶以外，科學(xué)家們將太陽系的外層空間定義為奧爾特云。這個(gè)區(qū)域的物質(zhì)組成更為稀薄，推測它們是和太陽系內(nèi)其它星際物質(zhì)同期產(chǎn)生的，只不過受到新形成巨大氣態(tài)行星的引力影響而被推離出行星和柯伊伯帶的平面軌道，呈現(xiàn)不同角度地圍繞太陽公轉(zhuǎn)的情況，從而形成密布的球形態(tài)。
太陽系的行星軌道為何扁平
其實(shí)不光是太陽系，銀河系以及其它河外星系，大家看到它們圖片時(shí)，都會明顯感覺到這些巨大星體系統(tǒng)中組成星體的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道，也幾乎都是處在一個(gè)巨大的平面之內(nèi)，似乎這是宇宙星系所共有的普遍規(guī)律，這是什么原因呢？
其實(shí)之所以產(chǎn)生這樣的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，就是星系組成物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)、萬有引力和時(shí)間共同作用的結(jié)果。所有的星系，其誕生之初，都是通過巨量的宇宙塵埃和星際氣體匯集，當(dāng)匯集的物質(zhì)越來越多時(shí)，在萬有引力作用下，中心區(qū)域就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)凈角動量，而引力會使這些一開始雜亂無章的旋轉(zhuǎn)體系，逐漸拉成一個(gè)由星際物質(zhì)組成的扁平平面。
因其中組成物質(zhì)的不斷碰撞和摩擦，導(dǎo)致一定的能量損耗，旋轉(zhuǎn)的離心力不足以支持萬有引力的拉扯，周圍旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)開始向內(nèi)收縮，一部分物質(zhì)在靠近過程中，旋轉(zhuǎn)速度不斷加快，一部分物質(zhì)被吸入內(nèi)核，持續(xù)不斷地增加內(nèi)核的溫度和壓力，而到達(dá)一定程度之后，就會觸發(fā)內(nèi)核的核聚變臨界點(diǎn)，逐漸演化為恒星。而那些沒有被吸入雛形恒星內(nèi)部的星際物質(zhì)，就會保留原來的運(yùn)動角動量，圍繞著中心區(qū)域作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，然后發(fā)生不斷地碰撞和聚合，形成行星的雛形。
因此，太陽系各大行星基本處在一個(gè)扁平的平面內(nèi)，其主要原因就在于太陽系剛形成時(shí)，在太陽內(nèi)核引力、周圍星際物質(zhì)角動量守恒和漫長歷史時(shí)間的綜合作用下產(chǎn)生的結(jié)果，奠定了星系物質(zhì)運(yùn)動的基礎(chǔ)，后來聚合形成的各大行星，也保留了這種運(yùn)動的角動量，共同圍繞著太陽這個(gè)系內(nèi)質(zhì)心作近似圓形的軌道運(yùn)動。
飛行器利用“引力彈弓”效應(yīng)進(jìn)行加速
從地球上發(fā)射航天器，必須要克服地球的引力束縛，也就是速度必須達(dá)到第二宇宙速度，即每秒11.2公里。我們知道，凡是有質(zhì)量的物體，如果其速度逐漸增加，那么它的運(yùn)動質(zhì)量也會隨之增加，在此情況下要繼續(xù)加速，就需要輸入更多的能量。現(xiàn)在的火箭發(fā)射仍然是應(yīng)用的液體燃料，無疑會增加發(fā)射火箭的載重量，從而對火箭引擎能力提出了巨大挑戰(zhàn)。
而我們?nèi)绻孟绕诘哪芰枯斎牒筒粩嗟刈冘墸瑢w行器送入一個(gè)天體的軌道，那么在這個(gè)天體引力的作用下，就會被天體所吸引，然后被天體攜帶著在公轉(zhuǎn)軌道上進(jìn)行一段時(shí)間的運(yùn)動，飛行器就會獲得該天體的公轉(zhuǎn)速度，從而為自己進(jìn)行線性加速，當(dāng)?shù)竭_(dá)距離該天體的遠(yuǎn)點(diǎn)之后，由于這個(gè)公轉(zhuǎn)的線速度大于引力作用，飛行器就會脫離天體的公轉(zhuǎn)軌道，從而獲得了一次“免費(fèi)”的加速，在就是所謂的“引力彈弓”效應(yīng)，利用這個(gè)效應(yīng)，可以極大地減少星際旅行所需要的燃料，但是代價(jià)就是花費(fèi)的時(shí)間會很長。
總結(jié)一下
太陽系行星的運(yùn)行軌道雖然基本處于一個(gè)平面之內(nèi)，但是太陽系的有效引力范圍仍然是立體的，奧爾特云就是太陽系外層的一個(gè)球形結(jié)構(gòu)，因此從理論上講，垂直于公轉(zhuǎn)軌道發(fā)射飛行器所需要克服的引力與平行發(fā)射差異不會太明顯，我們平行于公轉(zhuǎn)軌道平面發(fā)射，主要原因還是想利用沿途經(jīng)過的大質(zhì)量天體的引力進(jìn)行加速，從而節(jié)約燃料，為飛行器減負(fù)。另外一個(gè)方面，如果垂直公轉(zhuǎn)軌道平面發(fā)射，沿途沒有大質(zhì)量天體，星際物質(zhì)極其稀薄，就失去了我們進(jìn)行太空探索的意義。
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