希尔球:修订间差异

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[[File:Lagrange points2.svg|thumb|300px|二体因重力互相行的[[等效位能]]的等位能图,希尔球是分别环绕着这两个大质量天体的圆型区域。]]
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[[File:Lagrange points2.svg|thumb|300px|二体因重力互相行的[[等效位能]]的等位能图,希尔球是分别环繞著这两个大质量天体的圆型区域。]]
{{航天动力学}}
{{航天动力学}}


'''希尔球''',又称'''洛希球''',粗略来说,是环在[[天体]](像是[[行星]])周围的空间区域,那被它吸引的天体(像是[[卫星]])受到它的控制,而不是被它行的较大天体(像是[[恒星]])所控制。因此,行星若要留住卫星,卫星的轨道必须在行星的希尔球内。同样地,[[月球]]也有它的希尔球,任何位于月球的希尔球内的天体将会成为月球的卫星,而不是地球的卫星。
'''希尔球''',又称'''洛希球''',粗略来说,是环在[[天体]](像是[[行星]])周围的空间区域,那被它吸引的天体(像是[[卫星]])受到它的控制,而不是被它行的较大天体(像是[[恒星]])所控制。因此,行星若要留住卫星,卫星的轨道必须在行星的希尔球内。同样地,[[月球]]也有它的希尔球,任何位于月球的希尔球内的天体将会成为月球的卫星,而不是地球的卫星。


更精确的说法,希尔球约为一个小天体在面对著一个大许多的天体的[[引力|重力]]影响下,只会受到[[摄动]]影响的[[引力]]球范围。这是美国[[天文学家]][[乔治·威廉·希尔]]以[[法国]]天文学家[[爱德华·洛希]]的工作为基所定义的,由于这个故,它有时也被称为'''洛希球'''。
更精确的说法,希尔球约为一个小天体在面对著一个大许多的天体的[[引力|重力]]影响下,只会受到[[摄动]]影响的[[引力]]球范围。这是美国[[天文学家]][[乔治·威廉·希尔]]以[[法国]]天文学家[[爱德华·洛希]]的工作为基所定义的,由于这个故,它有时也被称为'''洛希球'''。


为了说明,以考慮[[木星]]环繞著[[太阳]]为例,对太空中任何的点,可以计算下面三种力的总和:
为了说明,以考慮[[木星]]环绕着[[太阳]]为例,对太空中任何的点,可以计算下面三种力的总和:
* 来自太阳的引力,
* 来自太阳的引力,
* 来自木星的引力,
* 来自木星的引力,
* 在有与木星相同[[角频率|频率]]的点上,繞著太阳运转的微粒所受到的[[离心力]]。
* 在有与木星相同[[角频率|频率]]的点上,绕着太阳运转的微粒所受到的[[离心力]]。


木星的希尔球是以木星为中心,这三种力量的总和永远都指向木星的最大的球。一般来说,它是围繞著主要天体的次要天体围的球形,在这个球形内的净力是一个指向次要天体的[[向心力]]。因此,希尔球在我们的例子中是描述一颗小的天体,像是卫星或人造卫星可以在木星附近定的繞著木星运转,而不会单纯的进入橢圆轨道繞著太阳运转的最大极限范围。
木星的希尔球是以木星为中心,这三种力量的总和永远都指向木星的最大的球。一般来说,它是围绕着主要天体的次要天体围的球形,在这个球形内的净力是一个指向次要天体的[[向心力]]。因此,希尔球在我们的例子中是描述一颗小的天体,像是卫星或人造卫星可以在木星附近定的绕着木星运转,而不会单纯的进入橢圆轨道绕着太阳运转的最大极限范围。


在两个天体中心的连线方向上,希尔球的边界在[[拉格朗日点]]L<sub>1</sub>上,这也是次要天体的影响力最短的方向,限制了希尔球的大小。若超越了这个距离,第三个天体环繞著次要天体(此处以木星为例)的轨道就至少会有一部分逸出了希尔球,并且将会受到主要天体(此例中为太阳)渐增的潮汐力摄动,最后终将繞著后者运转。
在两个天体中心的连线方向上,希尔球的边界在[[拉格朗日点]]L<sub>1</sub>上,这也是次要天体的影响力最短的方向,限制了希尔球的大小。若超越了这个距离,第三个天体环绕着次要天体(此处以木星为例)的轨道就至少会有一部分逸出了希尔球,并且将会受到主要天体(此例中为太阳)渐增的潮汐力摄动,最后终将绕着后者运转。


虽然都是与洛希有关的术语,但'''洛希球'''绝不能和[[洛希极限]]或是[[洛希瓣]]混淆在一起。洛希极限是仅由重力维的物体受到潮汐力作用开始被破坏的距离;洛希瓣描述的是一个环在两个天体周围的轨道,会造成这两个天体逐捕获这个天体的距离界限。
虽然都是与洛希有关的术语,但'''洛希球'''绝不能和[[洛希极限]]或是[[洛希瓣]]混淆在一起。洛希极限是仅由重力维的物体受到潮汐力作用开始被破坏的距离;洛希瓣描述的是一个环在两个天体周围的轨道,会造成这两个天体逐捕获这个天体的距离界限。


== 公式和例子 ==
== 公式和例子 ==
如果较小的天体(例如地球)质量是''m'',被它环的较重的天体(例如太阳)质量是''M'',轨道[[半长轴]]是''a'',离心率是''e'',则较小天体(例如地球)的希尔球半''r''的近似值为<ref name="HamiltonBurns92">{{Cite journal|title=Orbital stability zones about asteroids|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/001910359290005R|last=Hamilton|first=Douglas P.|last2=Burns|first2=Joseph A.|date=1992-03|journal=Icarus|issue=1|doi=10.1016/0019-1035(92)90005-R|volume=96|pages=43–64|language=en|bibcode=1992Icar...96...43H|access-date=2022-04-08|archive-date=2022-03-08|archive-url=https://web.archive.org/web/20220308144152/https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/001910359290005R}}</ref>:
如果较小的天体(例如地球)质量是''m'',被它环的较重的天体(例如太阳)质量是''M'',轨道[[半长轴]]是''a'',离心率是''e'',则较小天体(例如地球)的希尔球半''r''的近似值为<ref name="HamiltonBurns92">{{Cite journal|title=Orbital stability zones about asteroids|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/001910359290005R|last=Hamilton|first=Douglas P.|last2=Burns|first2=Joseph A.|date=1992-03|journal=Icarus|issue=1|doi=10.1016/0019-1035(92)90005-R|volume=96|pages=43–64|language=en|bibcode=1992Icar...96...43H|access-date=2022-04-08}}</ref>:


:<math>r \approx a (1-e) \sqrt[3]{\frac{m}{3 M}}</math>
:<math>r \approx a (1-e) \sqrt[3]{\frac{m}{3 M}}</math>


当离心率可以忽略时(最有利于定轨道的论点),公式可以简化为:
当离心率可以忽略时(最有利于定轨道的论点),公式可以简化为:


:<math>r \approx a \sqrt[3]{\frac{m}{3M}}</math>
:<math>r \approx a \sqrt[3]{\frac{m}{3M}}</math>


在地球的例子中,地球质量为5.97×10<sup>24</sup>公斤,以1.496亿公里的距离环繞著质量1.99×10<sup>30</sup>公斤的太阳,希尔球的半大约是150万公里(0.01天文单位)。月球地球的轨道平均距离为38万4,000公里,相当于¼希尔半,很安的在地球引力的力范围内,沒有被扯入行太阳轨道的危险或顾慮。根据轨道的周期:地球所有定的卫星,它的轨道期必须短于7个月。地球和月球的质量比是81倍,由此可知月球的希尔半是地月距离的16%,即是61,535公里,相当于月球半的35倍。
在地球的例子中,地球质量为5.97×10<sup>24</sup>公斤,以1.496亿公里的距离环绕着质量1.99×10<sup>30</sup>公斤的太阳,希尔球的半大约是150万公里(0.01天文单位)。月球地球的轨道平均距离为38万4,000公里,相当于¼希尔半,很安的在地球引力的力范围内,沒有被扯入行太阳轨道的危险或顾慮。根据轨道的周期:地球所有定的卫星,它的轨道期必须短于7个月。地球和月球的质量比是81倍,由此可知月球的希尔半是地月距离的16%,即是61,535公里,相当于月球半的35倍。


早先(省略掉离心率)的公式可以再改以下面的形式呈现:
早先(省略掉离心率)的公式可以再改以下面的形式呈现:
第33行: 第32行:
:<math>3\frac{r^3}{a^3} \approx \frac{m}{M} </math>
:<math>3\frac{r^3}{a^3} \approx \frac{m}{M} </math>


如此的表示法将希尔球的体积与次要天体环主要天体的轨道体积做了比较上的联。具体的说法,质量的比率是这两个球体积比值的三倍。
如此的表示法将希尔球的体积与次要天体环主要天体的轨道体积做了比较上的联。具体的说法,质量的比率是这两个球体积比值的三倍。


快速的估计希尔球半的方法是将上述等式中的质量用密度来取代:
快速的估计希尔球半的方法是将上述等式中的质量用密度来取代:


:<math>\frac{r}{R_{secondary}} \approx \frac{a}{R_{primary}} \sqrt[3]{\frac{\rho_{secondary}}{3 \rho_{primary}}} \approx \frac{a}{R_{primary}} </math>
:<math>\frac{r}{R_{secondary}} \approx \frac{a}{R_{primary}} \sqrt[3]{\frac{\rho_{secondary}}{3 \rho_{primary}}} \approx \frac{a}{R_{primary}} </math>


此处<math>\rho_{second}</math>和<math>\rho_{primary}</math>分别是主要天体和次要天体的密度,并且<math>\frac{r}{R_{secondary}}</math>和<math>\frac{a}{R_{primary}}</math>是它们的半。第二个公式在太阳系内大部分的事例中都与事实大略相符,<math>\sqrt[3]{\frac{\rho_{secondary}}{3 \rho_{primary}}}</math>的值都接近1(地-月系统是最大的例外,并且大多数的土星卫星都在20%之内。)这是很方便的型式,因此许多天文学家都住行星的半,并以此为单位进行计算的工作。
此处<math>\rho_{second}</math>和<math>\rho_{primary}</math>分别是主要天体和次要天体的密度,并且<math>\frac{r}{R_{secondary}}</math>和<math>\frac{a}{R_{primary}}</math>是它们的半。第二个公式在太阳系内大部分的事例中都与事实大略相符,<math>\sqrt[3]{\frac{\rho_{secondary}}{3 \rho_{primary}}}</math>的值都接近1(地-月系统是最大的例外,并且大多数的土星卫星都在20%之内。)这是很方便的型式,因此许多天文学家都住行星的半,并以此为单位进行计算的工作。


=== 真实定的区域 ===
=== 真实定的区域 ===
希尔球只是估计的大小,因为还有其它的力(像是[[辐射压]]和[[亚尔科夫斯基效应]])也会造成摄动使它逸出到球外。第三个天体的质量也必须小,才不致于因为自身的引力影响而使情形得复杂。詳細的数值计算显示,轨道在或正好在希尔球内的天体,在长远看来仍是不定的;看起来定的卫星轨道半只在希尔球半的½或⅓的范围之内([[顺行和逆行|逆行轨道]]似乎比[[顺行和逆行|顺行轨道]]定)。
希尔球只是估计的大小,因为还有其它的力(像是[[辐射压]]和[[亚尔科夫斯基效应]])也会造成摄动使它逸出到球外。第三个天体的质量也必须小,才不致于因为自身的引力影响而使情形得复杂。詳細的数值计算显示,轨道在或正好在希尔球内的天体,在长远看来仍是不定的;看起来定的卫星轨道半只在希尔球半的½或⅓的范围之内([[顺行和逆行|逆行轨道]]似乎比[[顺行和逆行|顺行轨道]]定)。


=== 更多的例子 ===
=== 更多的例子 ===
太空人不可能在地球上空300公里之处围繞著[[航天飞机|太空梭]](质量大约104公吨)运转,因为希尔球的半只有120公分,远比太空梭本身还要小。事实上,任何一颗[[低地球轨道卫星]](高度1,400公里),密度必须是[[鉛]]的800倍以上(9102.6 g/cm<sup>3</sup>),才可能拥有自己的希尔球,否则它将不足以胜任支持任何的轨道。(鉛的密度是11.34 g/cm<sup>3</sup>,地球质量为5.9742×10<sup>24</sup>kg。一颗球形的[[同步卫星]]将需要鉛密度的5倍足以维自己的卫星,这样的卫星密度是地球上自然产物中密度最高的元素[[銥]]的2.5倍(同步轨道的高度是35,786公里,銥的密度是22.65 g/cm<sup>3</sup>)。只有在两倍于同步轨道的高度上,一颗鉛球可以维自身的卫星轨道;由于月球的轨道远大于同步轨道距离的2倍以上,因此环月球的轨道是存在的。
太空人不可能在地球上空300公里之处围绕着[[航天飞机|太空梭]](质量大约104公吨)运转,因为希尔球的半只有120公分,远比太空梭本身还要小。事实上,任何一颗[[低地球轨道卫星]](高度1,400公里),密度必须是[[鉛]]的800倍以上(9102.6 g/cm<sup>3</sup>),才可能拥有自己的希尔球,否则它将不足以胜任支持任何的轨道。(鉛的密度是11.34 g/cm<sup>3</sup>,地球质量为5.9742×10<sup>24</sup>kg。一颗球形的[[同步卫星]]将需要鉛密度的5倍足以维自己的卫星,这样的卫星密度是地球上自然产物中密度最高的元素[[銥]]的2.5倍(同步轨道的高度是35,786公里,銥的密度是22.65 g/cm<sup>3</sup>)。只有在两倍于同步轨道的高度上,一颗鉛球可以维自身的卫星轨道;由于月球的轨道远大于同步轨道距离的2倍以上,因此环月球的轨道是存在的。


在[[太阳系]],[[海王星]]有最大的希尔球,半是1亿1,600万公里,或是0.775天文单位;因为他与太阳距离的远,充分的补了它的质量低于木星的不足,木星的希尔球半只有5,300万公里。[[小行星带|主带小行星]]中的[[穀神星]],希尔球的半只有22万公里。因为质量的迅速減少,有一颗卫星的[[小行星66391|1994 KW<sub>4</sub>]],是[[水星轨道穿越小行星|接近水星的小行星]],希尔球的半为22公里。
在[[太阳系]],[[海王星]]有最大的希尔球,半是1亿1,600万公里,或是0.775天文单位;因为他与太阳距离的远,充分的补了它的质量低于木星的不足,木星的希尔球半只有5,300万公里。[[小行星带|主带小行星]]中的[[穀神星]],希尔球的半只有22万公里。因为质量的迅速減少,有一颗卫星的[[小行星66391|1994 KW<sub>4</sub>]],是[[水星轨道穿越小行星|接近水星的小行星]],希尔球的半为22公里。


== 太阳系的例子 ==
== 太阳系的例子 ==
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== 外部链接 ==
== 外部链接 ==
* [https://web.archive.org/web/20060621062915/http://www.asterism.org/tutorials/tut22-1.htm Can an Astronaut Orbit the Space Shuttle?]
* [http://www.asterism.org/tutorials/tut22-1.htm Can an Astronaut Orbit the Space Shuttle?]
* [http://blogs.discovermagazine.com/badastronomy/2008/09/29/the-moon-that-went-up-a-hill-but-came-down-a-planet The moon that went up a hill, but came down a planet]
* [http://blogs.discovermagazine.com/badastronomy/2008/09/29/the-moon-that-went-up-a-hill-but-came-down-a-planet The moon that went up a hill, but came down a planet]


== 参考资料 ==
== 参考资料 ==
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