太阳引力 为什么木星 木星的引力从哪里来

木星的引力从哪里来？

木星是太阳系中，体积最大的行星，有318个地球那么重，达到了太阳重量的千分之一，体积也达到了地球体积的1300多倍。

木星在太阳系很恐怖的一颗星球，具体表现在以下几个方面。

1、有质量就有引力。木星表面是气态星球，从表面向中心数千米深处，就是液态的氢球体，由于引力的吸引，液态氢的密度和压力极大，在继续向中心靠近就是固态的硅酸盐核心。所以木星并不是完全的气态星球，且质量巨大，有质量就有引力。

2、木星的引力非常大，而且表面诡异，各个国家航天局，明令禁止宇航员靠近木星。木星不仅依靠大的吨位具有很强的引力，而且由于木星自转速度是八大行星中最快的，表面具有非常紊乱的气流，大红斑就是一个巨大漩涡，这些大红斑可以在木星上存在数百年，且风力比地球上的飓风强烈的多，一旦宇航员被卷入将会被瞬间撕碎。

3、木星表面虽是气体星球，但是巨大的引力使得木星结构非常牢固。1994年苏梅克-列维9号彗星以60公里每秒的速度连续轰击了木星6天，尽管撞击的火光冲天，但是木星依然没有什么事。

最后，引力产生的机理以及传播机理到目前仍是物理学上难题，到目前还没有研究透彻。这一块的理论还不完善，即使引入了引力子传播引力这一概念，对于解释引力的产生了传播仍有一些问题无法解释，因此还没定论。

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引力弹弓的效应是怎么回事？

在航天领域，如果让飞船在行星间移动，就得需要具有推进能力的太空飞船。因为太空没有空气，飞船需从尾部喷出气流才能获得加速的推力。想要获得更高的速度，飞船就需携带更多的燃料，而增加推进能力所需的燃料质量几乎成指数增长的。

如果要探索较远的太阳系外围的行星，比如木星或者土星，像利用较早期的霍曼转移轨道（Hohmann transfer orbit）的变轨，依靠飞船自带的燃料加速进入目标行星轨道，需要的燃料是异常巨大的。如果仅仅靠飞船自己的推进能力，探索太阳系外围的行星至今仍是不可能实现的。

那么，推力不够怎么办？

航天科学家的应对方法是找一个有实力的“朋友”拉一把。在太阳系内，行星和大卫星都在以很高的速度做轨道运动。如果飞船飞行的途中遇到这些质量庞大的天体，就会被它们的引力拽上一把，这会帮助飞船增加飞行速度，也可以帮助飞船用很少的燃料就改变飞行方向。

这种把行星当作“引力助推器”，利用行星重力场给飞船加速或者减速的过程，被称为引力弹弓效应（Slingshot effect），也称引力助推或绕行星变轨。

第一艘借助引力弹弓效应到达另一颗行星的探测器，就是1973年11月美国发射的“水手10号”（Mariner 10）水星与金星探测器。它于1974年2月5日经过金星，并借助金星的引力助推前往水星。

引力弹弓的助推原理是什么？

引力弹弓效应，是指利用行星或者其他天体的相对运动和引力来改变太空飞船的速度和轨道，以此来节省燃料、时间和计划成本，携带更多的有效载荷。

上图是引力弹弓效应的一个简单图示，显示了理想情况下的引力加速：飞船以速度Ｖ迎面向行星飞来，在经过引力弹弓效应后，飞船的飞行方向完全改变，速度增加了2U。飞船在此过程中借助行星获得了“加速”效果。

这很像是迎着火车前行的方向扔一个棒球，在撞击之后，棒球被反弹回来，并且从火车车体上获得了新的动能。在引力弹弓变轨过程中，行星将动能传递给了飞船，同时改变了飞船的速度方向。在弹射过程中，飞船越靠近行星，获得的加速度就越大。

在实践中，有时飞船并不一定要完全改变方向，有时飞船也会借助引力弹弓效应进行减速，以便进入预定目标行星的轨道。

引力弹弓助推的成功案例

如果想要通过引力弹弓效应获得最佳的航行速度，科学家和工程师们需要精确地计算轨道，因为引力弹弓的效果对帮助“助推”的行星的相对位置也有极高的要求。有的太空计划需要漫长的等待，才能获得最有利的发射窗口。因此，在某种意义上，太空探索最大的障碍不在于技术，而在于如何选择合适的策略，以尽可能小的代价，取得尽可能多的成果。下面是两个众所周知的成功案例。

1、航天历史上，在太阳系内最著名的飞行当属1977年发射的“旅行者号”（Voyager）计划，两艘“旅行者号”飞船的探索旅途是太空时代的传奇，它们的航道轨迹被学界称作通向太阳系外的“伟大航路（Grand Tour）”。

1977年8月20日，第一艘“旅行者号”飞船发射成功。有趣的是，这艘飞船反而称作“旅行者2号”，而“旅行者1号”飞船则在9月5日才离开地球。这两艘飞船都充分利用了引力弹弓效应。

“旅行者1号”在飞掠木星和土星时，利用了这两颗大质量行星进行了加速，然后才达到了太阳的逃逸速度。“旅行者2号”利用了木星、土星以及天王星的助推加速，但在接近海王星时，为了探索海王星的卫星“海卫-1”，飞掠海王星的角度导致了相反的引力弹弓效应，速度下降了一些。最后使得“旅行者1号”比“旅行者2号”更快了。

科学家从它们传回的信息得出，这两艘飞船分别于2013年和2018年先后飞离了太阳系进入星际空间，成为星际空间的人类探测装置。

2、由欧航局ESA、美国宇航局NASA和意大利航天局ASI合作的一个土星系空间探索项目，卡西尼号探测器（Cassini Probe）于1997年10月15日在美国发射升空。

卡西尼号历经多次引力弹弓加速，飞往土星轨道。它两次飞掠过金星，被金星弹射了两次。之后途径地球、木星，又被地球和木星分别施加了引力弹射。最终获得了巨大的速度到达了土星。

由于引力弹弓效应的完美助推和辅助变轨，体积和质量巨大（6吨）的卡西尼号探测器在长达6.7年的太空长途跋涉途中依赖极少的推进燃料进入土星轨道。

那么，引力弹弓加速是否违反能量守恒以及动量守恒定律？

引力弹弓效应中，飞船从远距离接近行星时，产生的运动效果如同该飞船被行星反弹开了。科学家称之为不发生实体接触的弹性碰撞。飞船运动速度的改变并不违反能量守恒定律和动量守恒定律。理论上飞船获得的线性动量在数值上等于行星失去的线性动量。

不过由于飞船的质量远远小于行星的质量，因此行星的运动状态几乎不会在引力弹射的过程中发生转变，行星线性动量的极微小的损失对其速度的影响可以忽略不计。

此外，科学家们注意到，虽然在利用引力弹弓效应时，飞船越靠近行星它获得的加速度越大，但如果太过于贴近行星，飞船有可能会受到行星大气、磁场的影响，其未知的风险也是不容忽视的。

今天，引力弹弓已经是一种被广泛应用和非常成熟的航天技术，它为人类征服太空创造了一个又一个的奇迹。

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