希尔球,是 天体 (比如 行星 )周围的空间,那里的其他天体(比如 卫星 )主要受到它的控制,而不是被其它较大天体(比如 恒星 )所控制。
简介
希尔球 是环绕在天体(比如行星)周围的空间,那里的天体(比如卫星)主要受到它的控制,而不是被其它较大天体(比如恒星)所控制。因此,该天体能保留住在那里的次级天体,而这些次级天体的轨道必须在该天体的希尔球内。比如月球也会有它的希尔球,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。
更精确地说,希尔球接近于一个小 天体 在面对着一个大许多的天体的重力影响下,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 的工作为基础所定义的,由于这个缘故,它有时也被称为 洛希球 。
为了说明,考虑 木星 环绕着 太阳 的具体事例,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 ,来自木星的引力,在有着与木星相同频率的点上,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。以一般的用语来说,它是围绕在绕着主要 天体 的次要天体周围的球形,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 附近稳定的绕着木星运转,而不会单纯的进入椭圆轨道绕着 太阳 运转的最大极限范围。
在两个天体的连线方向上,希尔球的边界在 拉格朗日点 L1,这也是次要天体的影响力最短的方向,并且以此做为希尔球大小的限制因素。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系的物体受到潮汐力作用开始被破坏的距离;洛希瓣是希尔球的最大界限面。
希尔球只是估计的大小,因为还有其它的力(像是 辐射压 和雅尔可夫斯基效应)也会造成摄动使它逸出到球外。第三个 天体 的质量也必须够小,才不致于因为自身的 引力 影响而使情形变得复杂。详细的数值计算显示,轨道在或正好在希尔球内的天体,在长远看来仍是不稳定的;看起来稳定的卫星轨道半径只在希尔球半径的1/2或1/3的范围之内(逆行轨道似乎比顺行轨道稳定)。真实稳定的区域
公式
如果较小的天体(例如 地球 )质量是 m ,被它环绕的较重的天体(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)的希尔球半径 r 的近似值为: 当离心率可以忽略时(最有利於稳定轨道),公式可以简化为: 在地球的例子中,地球质量为 公斤,以1.496亿公里的距离环绕著质量 公斤的 太阳 ,希尔球的半径大约是150万公里(0.01天文单位)。月球绕 地球 的轨道平均距离为38万8千400公里,很安稳地在 地球引力 的势力范围内,没有被扯入独立绕行太阳轨道的危险或顾虑。根据轨道的周期: 地球 所有稳定的 卫星 ,它的轨道周期必须短於7个月。
上述(省略调离心率)的公式可以再改以下面的形式呈现: 如此的表示法将希尔球的体积与次要 天体 环绕主要天体的轨道体积做了比较上的联系。具体的说法,质量的比率是这两个球体积比值的三倍。
快速地估计希尔球半径的方法是将上述等式中的质量用密度来取代: 此处 和 分别是主要 天体 和次要天体的密度,并且 和 是它们的半径。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, 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记住 行星 的半径,并以此为单位进行计算的工作。
例子
太空人不可能在 地球 上空300公里之处围绕着 航天飞机 (质量大约104公吨)运转,因为航天飞机的希尔球半径只有120厘米,远比航天飞机本身还要小。事实上,任何一颗低 地球轨道 卫星 (高度 1,400公里),密度必须是铅的800倍以上(9102.6 g/cm),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。(铅的密度是11.34 g/cm,地球质量为 。一颗球形的 同步卫星 将需要铅密度的5倍才足以维系自己的卫星,这样的卫星密度是地球上自然产物中密度最高的元素 的2.5倍(同步轨道的高度是35,786 公里,铱的密度是22.65 g/cm)。只有在两倍于同步轨道的高度上,一颗铅球可以维系自身的 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,因此环绕月球的轨道是存在的。
在 太阳系 , 海王星 有着最大的希尔球,半径是1亿1,600万公里,或是0.775天文单位;因为他与 太阳 距离的遥远,充分地补偿了它的质量低于 木星 的不足,木星的希尔球半径只有5,300万公里。主带 小行星 中的 神星,希尔球的半径只有22万公里。因为质量的迅速减少,有一颗 卫星 的1994 KW4,是接近 水星 的小行星,希尔球的半径为22公里。
revise:
天体 不管大小,都有一个基本上只受本身 引力 控制的区间,就是该天体的希尔球。
示例是一个质量比为4/1的两个天体。
end revise.
推导
一个不很严谨,但概念上是正确的可以推导出希尔球半径,就是可以利用 人造卫星 环绕一个天体(例如 行星 )的轨道 角速度 和这个天体本身环绕母天体的轨道角速度 相等 ,这粗略的是 恒星 重力影响与行星相等的半径。这在数量级上的数值精确度上是正确的。
用 作简化的希尔球半径确实很简单。但是这个“希尔球”已经跑到L1、L2以外了,这个简化十分不可取!
end rivise.