如果存在暗物質,如何解釋太陽系八大行星公轉角速度是不同的?花熊爸爸2018-04-29 14:01:46

這個問題問得怎麼說呢?突然去問估計會唬住很多人,當然仔細想想也就那麼。。。 哈哈

下面我們就仔細說說,這個問題實際包含兩個問題,

1)太陽系內有沒有暗物質,如果有,暗物質對太陽系內行星的執行有什麼影響?2)太陽系內行星的運動規律是什麼?

我們先說第二個話題,這其實是高中的物理知識(開普勒定律、牛頓定律)。

說起太陽系行星的運動速度(不管是速度、角速度),你是否想起了

開普勒第三定律

,即所有行星繞太陽一週的時間T的平方與它們軌道長半軸a的立方成比例,即 T^2/a^3=C,C在這裡表示一個固定值(常數)。

T是什麼?就是圓周π除以角速度w(單位用弧度表示),當然也可以用度表示。

那麼開普勒定律變變成了w^2✖️a^3=另一個常數C‘,即 w = C’/a^3/2

太陽系八大行星的軌道偏心率都很小,我們就用圓形近似,半長軸a就等於圓形軌道的半徑r。

因此,行星的角速度w就和它軌道半徑r的-3/2次方成正比,行星離太陽越遠,其角速度就越小。同樣,行星的速度v和它軌道半徑r的-1/2次方成正比,行星離太陽越遠,其速度就越小。只不過它們兩個值的大小遞減的程度不一樣。 每個行星的速度都和它們和太陽的遠近和太陽的大小有關,而和它們本身的大小無關。具體的數值@川陀太空 在回答時已經都列舉出來了,在這裡就不再贅述。

當然,上面的結果,你也可以從

萬有引力公式

F=GMm/r^2 , F為引力,G為萬有引力常數、M為太陽質量、m為行星質量、r為行星軌道半徑

離心力公式

F=m w^2 r = m v^2/r 自己推匯出來。

讓上面的兩個F相等,就會得到w^2 r^3=常數和v^2 r=常數。

再談談太陽系內的暗物質

太陽系內有暗物質嗎?真有!但有多少?真的很少!對太陽系內行星的運動起不到什麼作用。雖然在整個宇宙中,暗物質的總量是形成恆星、行星、衛星等(也包括我們人)的重子物質總量的6倍,但暗物質的密度是很低的,它能起到的引力作用只有在大尺度上積累起足夠的質量才能起作用,這也是你為什麼經常聽到暗物質大尺度結構、暗物質暈的原因。相反,重子物質雖然總量小,但都聚集分佈,形成了可見的恆星、行星等等。

太陽系內暗物質密度是10^-26 kg/m^3 , 每立方米10^-26千克

而太陽系內的重子物質密度是10^-10 kg/m^3 (把太陽的質量平均分佈在冥王星軌道以內的體積內),地球上水的密度10^3 kg/m^3

暗物質的密度遠小於星系的平均密度,但是分佈範圍比星系的恆星要廣得多,質量是密度乘以體積,M=ρ r^3,所以才造成了暗物質的總量比星系的種子物質要多。

最後,有沒有暗物質,行星軌道都不應該像你想的那樣角速度相同。

我猜之所以問這麼一個問題,是因為現在廣泛被宣傳的一個暗物質存在的證據就是星系的旋轉曲線(看來科普是有用的,至少大家記住了暗物質的概念和暗物質發現的證據),通俗的說法是星系內物質旋轉速度在距離星系中心一定距離後沒有降下來而是變平了,也就是下面的這幅圖,另外速度也就是縱軸的單位是km/s,是速度而不是角速度。

如果存在暗物質,如何解釋太陽系八大行星公轉角速度是不同的?