为什么八大行星绕太阳公转（行星为何绕太阳公转）

古时候，天文学家们认为所有的天体——太阳，月亮，行星，恒星——都围绕地球运动，像是镶嵌在一层层的透明球壳里。随着科学的发展，人们能够更好地认识我们在宇宙中的位置，他们发现所有的行星，包括地球在内，实际上是围绕着太阳运动的。

科学家们不仅发现了行星绕太阳运动，他们也知道了造成这种现象的原因。是什么样的一系列事件引导人们建立的现在的太阳系模型呢？

天文学家曾认为地球是太阳系的中心

图解:地心说，地球位于中心，月亮太阳和其他行星的轨道围绕地球，从内向外依次是月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星。图片来源：wikipedia

因为我们生活在地球上，我们会看到各种天体在天空中穿行，很自然地就认为地球是宇宙的中心。这就是地心说，很多古代文明都相信这种观点。看起来，太阳月亮行星以及其他星星每天绕地球一圈，而地球看上去是不动的，所以像托勒密一样的天文学家认为地球是宇宙的中心。他们以这个错误的太阳系模型为基础做了非常深入的研究，建立了非常详细的模型来对天体运动做出精确的预测。托勒密基于这类模型的预测被沿用了1500年，直到更好的模型出现。

图解：地心说轨道示意图。为解释从地球上观测到的行星运动，不得不在地心说中加入本轮（图中每个大圆轨道上的小圆）。行星首先按照本轮绕圈，然后整个本轮按照以地球为中心的大圆运动。图片来源：LefthgiR

太阳才是太阳系的中心

直到16世纪，波兰天文学家尼古拉·哥白尼出版了他那本改变世界的书《天体运行论》，才提出了新的更加准确的太阳系模型。哥白尼准确地揭示了太阳系的结构，把太阳放在中心，称为日心说。地球和其他行星一样，被放在了围绕太阳运动的位置上，对当时的天文学家来说，已知的行星有6个。

图解：现在的太阳系模型，包括地球在内的所有行星在以太阳为中心的轨道上运动，大大简化了需要本轮的地心说模型。图片来源：VectorStock

哥白尼的模型解答了两个困扰天文学家们几百年的问题，一个是为何行星会在几个月内变亮和变暗（答案是因为它们离得更近或者更远），另一个是为何行星有时看起来在倒退（逆行）。考虑到地球，行星和背景星的位置改变，就可以轻易地解答。

图解：行星逆行示意图，蓝色点是地球在5个时间点在轨道上的位置，红色点是相同的时间点上其他行星在轨道上的位置，红蓝连线投影到右侧则表明在地球上观察时其他行星相对于背景星空的运动。看起来，从第一时间点到第五时间点，行星的运动方向发生过反转。图片来源：Wikipedia

为何绕太阳运行

当人们能够精确地描述太阳系中行星运动的本质时，他们发现了一个更基本的问题：为何行星都绕着太阳转？是什么样的事件导致了这个结果？

要解释这个问题，我们需要回到46亿年前，在太阳系形成之前。当时在我们现在的位置上，有一团大爆炸后形成的质量巨大的氢分子云。然后某个事件，比如附近的超新星爆发，其冲击波扰动了这团气体，使它在引力作用下坍缩，让氢分子们彼此接触。

图解：太阳系原行星盘想象图，由分子气体和尘埃组成。松散的分子气体云在引力作用下聚集，在中心处形成太阳。气体团因原始的净角动量保持旋转，并坍缩成一个圆盘，在圆盘中形成行星。图片来源：universetoday

每个单独的分子都有角动量，当大量分子聚集在一起形成大块的气体团时，角动量守恒就会使这团气体自旋起来。想象两个旋转的跳伞者在空中相遇并拉住彼此，根据他们原本各自的速度和旋转，他们会获得新的整体旋转速度和方向。

最终所有的氢分子在引力作用下聚集在一起形成了一个带有自转的球体，并继续向内坍缩。在坍缩过程中，它的自转也越来越快，如同一个花样滑冰运动员收紧手臂后旋转地更快。

图解：花样滑冰运动员旋转时，把手臂收紧就会加快旋转。角动量定义为角速度和转动惯量的乘积，手臂收紧后转动惯量减小，但角动量守恒，所以角速度增加。图片来源：Physics@Brock

在转动的作用下，这团气体和尘埃逐渐变得扁平（就像地球自转使地球赤道半径略大于两极方向的半径）。太阳在中心形成，其他气体就像一个围绕着它的薄饼状圆盘，原行星就在这个薄盘中形成，逐渐收集尘埃颗粒变成越来越大的石块，累积起来最终形成了行星大小的天体。

行星处于完美平衡状态中

由于形成行星的原行星盘具有以太阳为中心的角动量，行星形成后也继续围绕太阳运动。它们现在的位置速度和太阳的引力有关，它们处在一种平衡中。

图解：以圆轨道绕地球飞行的飞船如果加大一定速度，会进入椭圆轨道。如果持续加大速度，地球引力不足以提供向心力，飞船就会逃离地球。与此类似，太阳系的各行星受到太阳的引力刚好足以提供它们绕行所需的向心力，所以它们可以稳定地长时间绕太阳运行。

根据圆周运动定律，如果太阳引力提供的向心加速度正好等于行星以某个速度在某个轨道上绕行时的向心加速度，该行星就会保持绕太阳运行。如果由于未知原因导致行星加速（或者减速），太阳引力提供的向心力就会低于（或者高于）行星保持当前速度绕行所需要的向心力，行星就会远离（或者靠近）太阳。所以说，现如今太阳系中的行星都没有飞离太阳系或者坠向太阳，是因为太阳提供的引力与它们绕转所需的向心力正好相同。

相关知识

公转（英语：Orbital revolution），是一物体以另一物体为中心，沿一定轨道所作的转动；所沿着的轨道可以为圆、椭圆、双曲线或抛物线。在天文学上，一般用来形容行星、彗星等星体环绕恒星、卫星、人造卫星等环绕行星；小规模星系、星云、宇宙尘埃等环绕大规模星系；以及更大规模的天体间环绕的运动。

图解：地球的公转

在不同的参照系中，公转在不同的视角下，会出现两种公转方向。一种为逆时针方向，一种为顺时针方向。如下面的图所示，橙色球绕着图中心的红色球做公转运动，左边的是逆时针方向，右边的是顺时针方向。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. universetoday- xeno

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