是的，两颗行星能共享同一轨道

资深撰稿人 Ethan Siegel 

资深撰稿人 Starts With A Bang小组

 Aug 13, 2019, 02:00am

从一声爆炸开始

  宇宙就在那里,等待着你去发现它。

从一个环绕巨型的双行星世界表面，一个潜在的大于另一个的两个世界平均有一半时间会是可见的。到了晚上，它们会远离天空中最突出的特征。存在多个场景，造成两颗行星占据同一轨道。 DASWORTGEWAND OF PIXABAY

    尽管对行星地球彗星或小行星摆出一个撞击的危险，但我们的太阳系实际上是一个令人难以置信的稳定的地方。我们所有的八颗行星被预计都仍然保持在它们的轨道中，只要太阳仍然是一颗正常的主序恒星，但并非太阳系所有的都是如此。

    如果两颗行星在轨道上彼此紧密的通过，一个行星能干扰另一颗行星，造成一个巨大的轨道变化。这两颗行星可能相撞，其中一颗可能被甩出，甚至有可能被抛入它们的中心恒星。但有另一种可能性：这两颗行星可以成功的一起共享一个轨道，仍然无限期的围绕它们的母星运行。这似乎有悖常理的，但我们的太阳系提供了一个这如何可能发生的线索。

虽然一个目视检查显示我们太阳系中各颗行星之间存在巨大差距，但不一定需要这样的。多颗行星可以通过许多可能的机制共享相同的轨道，也许在未来，我们会在那里找到一个有共轨行星的太阳系。 LUNAR AND PLANETARY INSTITUTE

    根据国际天文学联合会（IAU），一个轨道体要成为一颗行星需要有三件事：

1.     它需要处于流体静力平衡状态，或者有足够的引力来将它拉成一个球形（换句话说，一个完美的球体，加上任何旋转的和其它会扭曲它的效果)。

2.     它需要绕太阳运行，而不是绕着任何其它天体运行（例如，它不能绕另一颗行星运行）。

3.     它需要来清除它的轨道的任何行星体、原始行星或行星竞争对手。

严格地说，最后一个定义排除了两个行星共享同一轨道的可能性，因为如果轨道有两颗轨道就不会被清除。

原则上，甚至两颗围绕同一颗恒星运行的气体巨行星如果它们共享一个轨道也不会被视为行星的。国际天文学联合会的定义在许多方面都是不充分的，甚至对行星和系外行星天文学家。 NASA/AMES/JPL-CALTECH

    幸运的是，在考虑共同轨道行星时我们不受国际天文学联合会的有问题的定义约束。相反，我们能选择来担心是否有两颗类地行星共享围绕它们的恒星运行。当然，最大的担忧是引力。

    引力能够以我们更早之前设想的两种方式之一破坏双轨道：

1.     引力相互作用能"踢"一个非常硬的行星，要么送它到太阳要么从太阳系出去，

2.     两个相互引力吸引的行星能造成它们合并，导致一个壮观的碰撞，

在我们运行的从原始行星盘形成太阳系的模拟中，这两种效应都被极为频繁的看到。

一个合成体将由来自原始地球和撞击者的蒸发物质混合组成，这从月球的凝聚中形成一个大月亮。这是一个一般的能够创建一个单一的我们观察到我们的有物理和化学性质的大月亮的场景，更一般地说，巨大撞击假说涉及地球和一个假设的共轨原始行星世界赛亚（Theia）之间的碰撞。 S. J. LOCK ET AL., J. GEOPHYS RESEARCH, 123, 4 (2018), P. 910-951

    后一种情况事实上是某些当太阳系只有几千万年老时对地球可能已经发生了的一些事！在大约45亿年前确定的有一次碰撞，造成了我们现代地球-月球系统的形成。此外，它很可能在我们的星球上造成了一个重大的重新表面事件，甚至我们在地球上发现的最古老的岩石也不像我们已经发现的可能是小行星起源的最古老的陨石那么古老的。

    然而，两颗行星不会做占据完全相同的轨道的一个出色工作，因为在这种情况下没有真正的稳定性。你能做的最好的事情就是希望有一个准稳定的轨道。在这种背景下，准稳定意味着从技术上讲，在无限长的时间尺度上，一切都是不稳定的，这些行星将玩一个雷神游戏：最多会保留一个。

一个地球-太阳系统的有效的潜势等线图。天体能绕地球运行在一个稳定的月球状轨道或一个位于地球前或后的准稳定轨道中（或两者交替运行）。L1、L2 和 L3 点是不稳定平衡点，但一个围绕 L4 或 L5 点运行的天体能无限期的保持稳定。 NASA

    但是，你能获取在这两个"糟糕"事件之一发生之前维持数十亿年的配置。要了解怎样，你需要观察上图，特别是五个标记（绿色）点：拉格朗日点。

    如果你只考虑两个质量------太阳和一颗行星------有五个具体点在那里太阳和行星的引力效应抵消，所有三个天体都永远在一个稳定的轨道上移动。不幸的是，这些拉格朗日点中只有两个L4和L5是稳定的，任何从其它三个（L1，L2或L3）开始的东西都会不稳定的移开，要么与主行星相撞要么被甩出。

克鲁伊特和地球在一年的轨道上。克鲁伊特的位置由红色框指示，因为它太小，在此距离无法看到。地球是沿着蓝色圆圈移动的白点。中新的黄色圆圈是我们的太阳。虽然3753克鲁伊特并不完全稳定，但它已经仍然在一个围绕地球的拉格朗日点之一（从我们的角度来看）的明显轨道运行了几百年，并且还将保持数百年。 JECOWA OF WIKIMEDIA COMMONS

    但L4和L5是小行星聚集的点。气体巨星世界都有数千个，但甚至地球也有一颗：小行星3753克鲁伊特尼，它目前处于一个与地球处于准稳定轨道的轨道上！

    虽然这颗小行星在数十亿年的时间尺度上并不稳定，但两颗行星绝对的有可能共享一个这样的轨道。它也可能有一个双行星，这将是非常像地球/月球系统（或冥王星/查伦系统），除了没有明确的至于谁是行星和谁是月亮的"赢家"。如果你有一个其中两个行星的质量/大小是可比的系统并且只有一小段距离，你可以有所谓的要么为一个双星要么双行星系统。最近的研究表明这是合理的。

    但还有一种方法可以做到这一点，而这是某些你可能已经没有想到是稳定的东西：你能在两个不同的轨道上有两个质量相当的行星，一个在另一个的内部轨道上，在那里当内世界超过外部世界时轨道会定期的交换。你可能认为这是疯狂的，但我们的太阳系有一个发生这种情况的例子：土星的两个月亮，埃皮米努斯和贾努斯。

    每四年，无论那个内部（接近土星）的月亮都会取代这个外部的，它们的相互引力造成内月向外移动而外月向内移动，它们交换。

埃皮米努斯和贾努斯如何交换轨道的物理原理能通过两个低质量天体在围绕一个质量更高的天体的轨道上的简单引力动力学解释。相互的引力相互作用能在一个像这样的准稳定的方式中存在，创造稳定数十亿年或更长时间的轨道。 EMILY LAKDAWALLA, 2006

    在过去的25年里，我们已经观察到这两个月亮跳舞相当多，在8年的周期里，这些结构在没有任何颗察觉的变化中重复它们自己。据我们所知，这种配置不仅在人类时间尺度上是稳定的，而且应该在我们的太阳系的生命周期内是稳定的。

    共振以许多不同的方式出现在行星动力学中，包括海王星影响柯伊伯带天体分布的方式，木星的卫星伊奥、欧罗巴和嘎尼密德服从一个简单的1：2：4轨道模式的方式，以及水星转速和轨道运动如何服从一个3：2共振的。

埃皮米努斯和贾努斯是土星的两颗卫星，通过轨道交换共享相同的轨道。由于它们之间的质量差异，贾努斯的轨道在它的半大轴上的变化大约是埃皮米修斯轨道的三倍。这两颗卫星每四年交换一次位置，但似乎从未碰撞过。 NASA / JPL / DAVID SEAL

    毫不奇怪，行星轨道也可能服从一个轨道交换共振，埃皮米努斯和贾努斯提供一个壮观的例子。你可能会反对这些是围绕一颗行星的卫星而不是围绕一颗恒星的行星，但引力是引力，质量是质量，轨道是轨道。确切的幅度是唯一的区别，而动力学能是非常类似的。

    考虑到我们现在知道在M级红矮星周围大量存在的系外行星系统，它们看起来与木星或土星系统相似，换句话说，我们完全可以想象在我们的星系的某个地方我们会有一个有两颗正是这样做的行星（而不是卫星）系统！

特拉皮斯特（TRAPPIST-1）系统与太阳系内行星和木星卫星相比。尽管这些天体怎样分类的方式似乎有些武断，但所有这些天体的形成和进化历史与它们今天拥有的物理特性之间有着明确的联系。围绕红矮星的太阳系似乎只是木星或土星的类似放大物。 NASA / JPL-CALTECH

    不幸的消息是至少就目前而言，在其它恒星周围发现的数千颗行星中我们还没有任何双行星候选。在开普勒使命初期曾宣布过一个候选行星但被收回，因为发现一个共轨行星候选实际上拥有主行星周期的两倍。但证据的缺乏并不是缺乏证据。这些共轨行星可能很罕见，但随着更多更好的数据，我们完全期望发现它们。

    给我们一个更好的行星发现望远镜、一百万颗周围有行星的恒星以及大约10年的观测时间。有了这样的设施，我们很可能会发现所有三个可能的行星共享轨道的例子。引力定律和我们的模拟告诉我们它们应该在那里。剩下的唯一一步是找到它们。

    在推特上跟随我。查看我的网站或在这里我的一些其他工作。

天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

从一声爆炸开始撰稿人小组

    从一声爆炸开始致力于探索我们对宇宙的了解以及我们怎样知道它的, 重点是物理学、天文学和宇宙告诉我们的关于宇宙本身的科学故事。由博士科学家写作并被.. 编辑创作

 https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/08/13/yes-two-planets-can-both-share-the-same-orbit/#567057fd2b8d