太陽系軌道とは何ですか？ 歴史、種類など

軌道は、たとえば太陽の周りのすべての惑星など、太陽系のオブジェクトが別のオブジェクトの周りに持っている軌道で構成されています。次の記事では、軌道が何で構成されているかについて詳しく説明します。 太陽系の軌道 など。

物理学の分野では、軌道の定義は、重力などの強力な中心力の影響下にあるときに、物理オブジェクトが別のオブジェクトの周りを参照する軌道で構成されます。

沿革

それは、ヨハネス・ケプラーの偉大な数学的貢献から始まります。ヨハネス・ケプラーは、自分で作成した惑星運動の3つの法則のすばらしい結果を定式化した人物でした。

• ケプラーの惑星運動の第一法則： それは彼が太陽系内のすべての惑星の軌道が楕円形になり、それらが円形ではないこと、または以前に考えられていたように従円と周転円ではないこと、そして太陽がその焦点のXNUMXつにあり、すべての人ではないことを指摘した場所ですそれは惑星の軌道の中心にあると思います。

• ケプラーの惑星運動の第2法則： ここで彼は、各惑星の軌道速度は、同じく信じられていたように頻繁ではないが、惑星の速度は、惑星と太陽の間の経路の種類に依存すると説明しています。

• ケプラーの惑星運動の第一法則： ここで、ケプラーは、太陽を周回している各惑星の軌道特性との間の一種の普遍的な相関関係を見つけるようになりました。各惑星について、惑星とソルの立方体（距離）の間のパス ³）、通常は天文単位で測定されます。これは、惑星の二乗周期（惑星の周期）の場合と同じ方法です。 ²）、これは地球の年で測定されます。

有名なアイザックニュートンは、偉大なヨハネスケプラーの法則がニュートンの重力理論に由来し、一般に、重力に応答するために使用された各物体の軌道が円錐形のセクションであることを示した人物でした。

したがって、アイザックニュートン自身も、2つの物体が、通常の重心が何であるかについて、それぞれの質量に反比例する次元の軌道を継続していることを指摘しました。 一方の物体がもう一方の場合よりもはるかに大きく質量が大きくなると、各質量の中心がはるかに大きい質量を持つ物体の中心点と見なされるという一種の慣習が作られます。より大きくまたはより大きく。

軌道の知識を通して、例えば、私たちはについて学ぶことができるということです 地球の動き, そのため、知っておくことが重要です 軌道とは何ですか？ そしてそれに関連するすべて。

惑星軌道

で構成されている惑星系は何ですか：

• 惑星
• 準惑星
• 小惑星
• 彗星
• 宇宙ゴミ

それらはすべて、私たちの太陽系で最大の主星、つまり太陽の周りを周回しています。たとえば、パラボリックと呼ばれる軌道にある彗星、または主星または中央の星の周りの双曲線としても知られている彗星の場合は、太陽は、その星との重力のつながりがないため、主星のこの惑星系の一部とは見なされません。

明らかに双曲線軌道を持つ彗星は、太陽系内で視覚化されていません。 惑星系の各惑星と重力的にリンクしている物体は、それらが人工であるか自然であるかにかかわらず、惑星の周りのいわゆる楕円軌道を実行するものです。

両側の重力摂動のために、各惑星軌道の離心率は何年にもわたって異なる傾向があります。 太陽系全体で最小の惑星である水星は、他の惑星とは異なり、はるかに離心率の高い軌道を持っています。 次は火星の赤い惑星ですが、離心率の低い他の惑星は次のようになります。

• 惑星金星
• 惑星海王星

2つの天体がそれらの間を周回する瞬間、いわゆるペリアストロンは、両方の天体が互いに接近する最初の極値で構成され、いわゆるアポアストロンの場合は、両方の天体が可能な限り互いに離してください。

楕円軌道の場合、システムの中心点は、軌道を回っているオブジェクトと軌道を回っているオブジェクトの間にあり、どちらかの軌道の焦点の1つにあり、その間に他の焦点はありません。

惑星のXNUMXつがいわゆるペリアストロンに近づく瞬間に、惑星はその速度を上げます。 反対に、惑星が遠地点に近づくと、速度の強度が低下します。

直感的な説明

軌道の機能が何であるかを説明するいくつかの方法があります、それらのいくつかは次のとおりです：

• オブジェクト（惑星、小惑星、彗星、衛星など）が斜めに移動すると、別の軌道上のオブジェクトに向かって落下します。 しかし、それは非常に速く動くので、前記軌道を回った物体の曲率は常にそれを下回ります。

• 重力などの強力な力は、オブジェクトを直線に保ちながら、湾曲した距離でオブジェクトを引っ張る役割を果たします。

• オブジェクトが落下すると、軌道を回るオブジェクトを回避するために必要な接線速度があるため、オブジェクトは片側から非常に速く移動します。

惑星の周りの軌道を説明するために最も一般的に使用される例のXNUMXつは、ニュートンの峡谷です。 この例では、山の頂上にある大砲が水平方向の大砲のボールを発射することを想像します。

地上の大気を避け、キャノンボールの摩擦による影響を無視できるようにするためには、山の標高がそれほど高くないことが求められます。

この大砲が低速クラスのボールを発射すると、ボールの経路が曲がって地表に衝突します（A）。 初速度を上げると、大砲の球は地表に衝突しますが、今回は大砲からはるかに離れた場所（B）で、尾が下降しているため、地表も曲がります。

これらの動きは、重心の周りの一種の楕円形の方向を表すため、技術的には軌道として定義されますが、惑星の地球との衝突の瞬間に中断されます。 大砲のボールを高速で発射すると、ボールが落下するときに地面が十分に曲がり、ボールが地表に衝突することはありません。

それは、いかなる種類の中断も交差もなしに軌道を実行していると言わなければなりません。 したがって、重力の中心点より上の高さごとに円軌道（C）を生成する特定の速度があることを強調できます。

爆轟の速度がその速度をはるかに超えて増加すると、楕円軌道（D）が生成されます。 はるかに速い速度では、それは脱出速度と呼ばれ、これもボールが爆発する高さのクラスに依存します。これは、最初に放物線クラスの無限軌道（E）が発生し、双曲線よりもはるかに高速です。クラス。

2つのクラスの無限軌道の場合、結果として、オブジェクトは惑星の重力から逃げることができ、方向性なしに宇宙空間に向かって進みます。

軌道運動解析

アイザックニュートンのよく知られた古典理論から始めて、太陽系の軌道運動が何であるかに関する分析を実行し、次にアインシュタインの相対論的理論に移り、その後、軌道の分析に進みます。ニュートンの場合と相対論的な場合の軌道。

アイザックニュートンの軌道の古典理論

重力のみの影響を受ける約2体のシステムの場合、軌道はニュートンのよく知られた法則と、アインシュタインの万有引力の法則によって計算できます。これは、すべての力の合計です。質量と速度の積に等しくなります。

重力は、各質量の積に比例する傾向があり、逆に、パスのXNUMX乗に比例します（このタイプの計算は、形状や各質量の寸法など、すべての最小効果を無視する計算です。これらの物体がそれら自身の寸法と比較してはるかに長い距離を周回する場合、通常は関連しない物体の、このようにして、太陽系の一般的な状況でも非常に小さい相対論的効果を無視することが可能です） 。

それぞれの計算を実行するために、システムの重心が何であるかに焦点を合わせたタイプの座標系でどのような動きがあるかを記述できると便利です。 一方の物体がもう一方の物体よりもはるかに大きくなると、重心は通常、はるかに重い物体の中心のタイプと一致するため、軽い物体が最も重い物体の周りを周回していると推測できます。

アイザックニュートンの理論は、2体問題では、1体軌道が何らかの円錐曲線になることを発表したもので構成されています。 軌道は開いていてもかまいません。オブジェクトが戻らない場合、またはオブジェクトが閉じた場合、このオブジェクトが戻った場合、すべては運動エネルギーの合計と、それが作用するシステムのポテンシャルに依存します。惑星オブジェクト。

アインシュタインの相対論的理論

相対論的理論は、ニュートンの重力理論とは大きく矛盾していることはよく知られています。なぜなら、瞬間的な経路の作用は最初に起こるからです。 これと他の多くの理由が、重力場が何であるかについての一種の正しい相対論的表現を通常組み込む一般相対性理論として知られるようになったより一般的な理論を求めてアインシュタイン自身を動かしたものでした。

この理論では、宇宙空間にある質量の状態は時空を曲げ、その幾何学がユークリッド幾何学でなくなるようにします。体は、私たちの太陽系内で視覚化されているようないくつかの値を取るようになります。

いわゆる惑星軌道は、通常、厳密に円錐曲線ではなく、測地線です。つまり、時空の曲がった幾何学上にある、小さな曲率の一種の線です。 この理論は線形にはなりません。たとえば、同じ質量を持つ2つの物体の問題の結果を取得できるようにするには、通常、この理論を使用して計算を行う必要があります。

私たちが学ぶことができるもう一つのことは 木星衛星, 彼らが何と呼ばれているのか、彼らの軌道は何であるのか、そして彼らについてもっとたくさん。

しかし、私たちの太陽系のような惑星系の場合、太陽である中心の星は通常、残りの惑星の場合よりもはるかに重いので、太陽、これは他の惑星のそれと比較して、そのような方法で、他のすべてのオブジェクトはそれ故にそれほど重くなく、それらは太陽自体によって曲げられた測地線幾何学に従って動くと仮定することができます。

私たちの太陽系内に存在する値の場合、アインシュタインの理論が何であるかという定量的な結果は、ニュートンの理論が何であるか、つまりニュートン理論にほぼ非常に近い数値であるため、これは正当化される原因になりますニュートン理論を使用するための最も実用的な目的は、通常、計算上はるかに単純です。

しかし、ニュートン理論は、アインシュタイン自身の相対論的理論によって解決された特定の種類の事実をまだ説明できていません。その中には、ペリヘリオン、特にそれが管理している惑星マーキュリーの前進の影響があります。しかし、アルバート・アインシュタインの相対論的理論による優れた近似で説明されることは、ニュートンの理論では不可能です。

ニュートンの場合の軌道

常に一定の開始点から移動する大きな力の影響下での質量の移動を分析するために使用する最も有益なことは、その原点が力の中心そのもの。 この座標系では、半径方向と横方向のコンポーネントは次のとおりです。

この力は完全に放射状であり、加速度はこの力に比例するため、横方向の速度は（0）ゼロに等しくなります。

その結果： 

統合後、以下が取得されます。

,

これは、ケプラーの第2法則が何であるかを理論的に証明するものです。 積分定数Iは、単位質量あたりの角度チャンスになります。 それによって、

追加された変数：

 

半径方向の力は、f（r）×XNUMXになります。_r、得られた前記方程式の半径方向成分から時間変数を除去した後、

重力の場合、アイザックニュートンによって実行される万有引力の法則は、力が軌道のXNUMX乗に逆に調整されるようになることを示すものです。

ここで、（G）は万有引力の定数になり、（m）は軌道を回る物体の質量、（M）は中心体の質量で構成されます。 上記の式に代入すると、次のようになります。

重力の場合、上記の方程式の右の概念は一種の定数になり、次に方程式は調和方程式に似たものになります。 粒子によって記述される軌道に対して作成された方程式は、次のもので構成されます。

ここで、p、eおよびθ₀ 積分の定数になり、

パラメータ（e）が1未満になると、（e）は離心率になり、（a）はある種の楕円の半主軸になります。 一般に、極（r、θ）の座標における円錐曲線の方程式として認識できます。

相対論的ケースの軌道

さて、相対論的理論の場合、2体問題はシュワルツシルト解とは何かを使って解くことさえできます。それは球対称のクラスを持つ1体によって確立された重力場です。 時空の惑星軌道は、シュワルツシルト自身の測地線の測地線になります。

得られる軌道は、そのシュワルツシルト計量の一種の測地線から、粒子が次のように与えられる非常に有効な視線速度に気付くのと同等のものを持ちます。

それが次のように分類されるところ：

• g c それは万有引力の定数であり、光速の定数でもあります。

• r, シュワルツシルト半径座標になります。

• l, は、単位質量あたりの惑星の軌道角運動量です。

運動の定数は、エネルギーと角運動量に関連しています。

運動方程式は、古典的な場合のように、u = 1 / rの変化をもたらします。ここで、次のようになります。

太陽系に属する惑星のそれぞれについて、3番目のメンバーの2番目の項によって与えられる相対論的補正は、通常、他の項と比較して最小です。 これらすべてを実証するために、次のような無次元パラメーターのタイプを配置すると便利です。∈= 2（GM / cl）² 変数ū=ulの新しい為替レートを作成します² /GMと運動方程式は次のように書き直すことができます。

どこ：

惑星水星の場合、パラメータ _∈ 最大値とから到達する値で構成されます ∈=5,09。 10 ^-8.

しかし、上記の項の最小値は、相対論的補正が小さな補正のみを生成するものであることを意味し、同じ理由で、ニュートンと呼ばれるニュートンの理論は、太陽系が何であるかについてそのような良い近似を与えます。 関数ƒ（ū）の各根を探します。ここで、上記のパラメーターの最小値が考慮されます。これは次のとおりです。

惑星軌道の場合、それらはūで確立することができます₁ <ū<ū₂ ケースu>ū₃ これは、粒子が太陽に落ちることを意味するため、除外されますū→∞。 方程式の解は次のように与えられます。

この種の積分は、変数をv =ūから変更することにより、楕円積分に減らすことができます。₁ + 1 / t²、次のようになります：

どこへ² = 1 /（ū₂ - また₁）、b² = 1 /（ū₃ - また₁）。 いわゆる楕円ヤコビ関数のXNUMXつを使用して、積分は次のように完了することができます。 ^1/2 θ=bns ^-1 （t / a）k=√b/aで与えられるモジュールを使用して、取得できる軌道の方程式にこのタイプの結果を使用します。

どこ：

K² =2e∈+XNUMX（e²）、軌道のすべての楕円ヤコビ関数のモジュールになります。 ∈=0の場合、これはA = 1 – e、B = 2e、n =½、k = 0を意味し、その場合、惑星の軌道は古典的なニュートン理論の場合に完全に縮小されます。

それが離心率の一種の楕円であることe。 ただし、相対論的軌道は通常周期的ではありませんが、太陽の周りを滑らかに回転する準楕円です。これは近日点前進として知られており、特に水星の場合は通常はるかに顕著です。

前の方程式の解から、近日点はθ= K / nで発生し、次の値はθ= 3 K / nになります。ここで、kは周期の1/2であり、これは楕円積分です。 2つの近日点の間で回転角度がXNUMXπにならないが、次よりわずかに大きい量のクラスである、第XNUMXの全種の積分。

∈=5、09。10の惑星水星の場合^-8 示された近日点の進行は41.07世紀あたり約88インチであり、一般にその期間は約42.98日であり、これは通常XNUMX世紀あたりXNUMXインチの実験値です。 この種の合意が、理論の元々の大きな成功を確立し、広く一般的に承認されるようになりました。

何が何であるかについて論争を続けている分野の多くの専門家がいます 太陽系の科学的開示記事, ここで、太陽系の軌道とそれを構成する各オブジェクトが主に確立されます。

公転周期

いわゆる公転周期は、宇宙オブジェクトまたは惑星がその軌道を完全に実行できるようになるまでにかかる期間で構成されます（オブジェクトについて話すときは、惑星、衛星、衛星などを指します）。 太陽の周りにあるこれらの惑星またはオブジェクトには、さまざまなクラスの公転周期があります。

• 最初：恒星時

XNUMXつ目は恒星時で、これは、衛星または星に関して、オブジェクトが太陽の周りの軌道を完了するのにかかる時間で構成されます。 このタイプの期間は、オブジェクトの真の期間と見なされます。

• XNUMX番目：シノディック期間

2つ目は、惑星地球から見たときに、太陽である主星に対して、オブジェクトが空間の最初のポイントでそれ自体を提示するのに再びかかる時間であるシノディック期間で構成されます。 このタイプの周期は、XNUMXつの連続したアプローチ間の時間を直観するものであり、このオブジェクトの架空の公転周期であるとも言えます。 地球も太陽の周りを回っているため、この期間は最初の期間とは異なります。

• 第三：ドラコナイト時代

ドラコニティック期間は、同じオブジェクトが、南半球の一部から北に向かって黄道軌道を横切る軌道のポイントである昇交点黄経を2回通過するのにかかる時間で構成されます。 このタイプの期間は、結節の線が一般にゆっくりと変化するため、第XNUMX恒星時とは区別されます。

• 第四：異常な期間

2番目は異常期間であり、同じオブジェクトが太陽に最も近い点である近日点の領域をXNUMX回通過するのにかかる時間で構成されています。このXNUMX番目の期間は、最初の期間とは異なります。大きな結節もゆっくりと変化するようになるという事実。

• 第五：熱帯期

5番目は熱帯期についてであり、同じオブジェクトがゼロ（2）のちょうど上昇の領域を0回通過するのにかかる時間で構成されています。 これは通常、いわゆる分点の歳差運動のため、最初の恒星時の場合よりもわずかに短くなります。

軌道の幾何学的パラメータ

軌道を決定するために必要なパラメータは、アイザックニュートンの運動の法則に従う2質量モデルのタイプを使用して、軌道要素と呼ばれます。 したがって、約6種類の基本的な基本パラメーターがあり、それらはケプラー要素としても知られています。これは、有名な物理学者のケプラーを称え、次のもので構成されています。

• 最初のパラメータ： 昇交点黄経=（Ω）

• エルセガンド パラメータ： ピッチ=（i）

• 第XNUMX パラメータ： 近日点からの引数=（ω）

• XNUMX番目のパラメーター： 半主軸=（a）

• XNUMX番目のパラメーター： 離心率=（e）

• XNUMX番目のパラメーター： エポックの平均異常=（M_o )

一方、上記に加えて使用される他の軌道要素は次のとおりです。

• 真近点角=（v）

• 半短軸=（b）

• 線形離心率=（∈）

• 離心近点角=（E）

• 真の長さ=（l）

• 公転周期=（T）

軌道の種類

太陽系に存在する軌道の種類を観察します。これらは、次の2つの主要な軌道に分類されます。

• その特徴について。

• その中央体のために。

特性別

その特性による分類の場合、次のような約14のタイプがあります。

• サークル軌道

• 黄道軌道

• 楕円軌道

• 非常に楕円軌道または非常に偏心した軌道

• 墓場軌道

• ホーマン遷移軌道

• 双曲線軌道

• 傾斜軌道

• 放物線軌道

• 軌道をキャプチャする

• 脱出軌道

• 準同期軌道

• 副同期軌道

• 同期軌道

セントラルボディ

2番目の分類の場合、これは次の3つのクラスの軌道に分散されます。

• 地球の軌道

• 火星の軌道

• 月周回軌道

• 太陽軌道

地球軌道

地上軌道の場合、次のような約12のクラスの軌道があります。

• 地球中心軌道

• 静止軌道

• 静止軌道

• 静止トランスファ軌道

• 低軌道

• 中軌道

• モルニヤ軌道

• 赤道軌道付近

• 月の軌道

• 極軌道

• ヘリオ同期軌道

• ツンドラ軌道

火星の軌道

火星の軌道の場合、次の2つのクラスの軌道しかありません。

• 火星同期軌道

• 火星静止軌道

月周回軌道

月周回軌道の場合、次の1つだけがあります。

• 月周回軌道

何がわからない場合 月の動き, 月周回軌道がどのようなもので、どのように確立されているかを知ることができるように、それを発見することができます。

太陽軌道

太陽軌道の場合、月軌道と同じように、1つしかありません。

• 地動説軌道