挂历上每四年多出的2月29日,藏着一个跟地球“跑步速度”有关的宇宙谜题。
当我们每年吹灭生日蜡烛的时候,地球实际上并没有跑完绕太阳的完整一圈——其真实公转周期为365天,5小时48分46秒;也就是说,365.2564天。
400年前,当开普勒,用第谷留下的20年观测数据,画出地球轨道时,这位天才数学家,竟惊觉地球跑的,不是完美的圆圈,而是一条椭圆跑道。
太阳位于椭圆的一个焦点之上,而且这便致使地球时而离太阳较近(1月初为近日点,相距1.471亿公里),偶尔又离得较远(7月初乃远日点,相距1.521亿公里)。
就像汽车爬坡之时会渐渐减慢速度,而下坡之际会快速加快速度一般,地球到达近日点的时候,其公转速度能够达到最为迅速的状态;不过到了远日点之时,速度却会变得极为缓慢。
这种速度上的快慢差异,使得全年的运行轨迹呈现出一种“不均衡的特质共同构成了365.2564天的完整周期。
现代科学家,就像是宇宙之中的“测速员”,他们所使用的工具,相比于望远镜而言,厉害得多啦。
位于智利的甚大望远镜阵列,能捕捉到地球公转时所产生的“光频漂移”,如同交警借助雷达来测量车速一般;美国NASA的激光测距卫星,通过向月球反射光束,精准地计算出地球轨道的细微形变。
2023年,欧洲空间局的“盖亚卫星”公布了迄今最为精确的银河系星图,竟然意外发现太阳携带着地球以250公里秒的速度飞速奔驰,这使地球的“年度总行程”变得更为复杂——它不但绕着太阳跑了9.4亿公里,而且还跟随太阳系在银河系里“漂移”了78.8亿公里,相当于每年在宇宙中绘出一条88.2亿公里的螺旋轨迹!
计算这个“宇宙马拉松”的距离科学家有两套精密算法。
第一套是“速度时间地球平均公转速度29.79公里秒,乘以一年31556926秒,得出约9.4亿公里的轨道周长。
第二套更为“硬核首先算出椭圆轨道的半长轴(1.496亿公里),接着用开普勒第三定律公式算出周长,接下来除以不同位置的实时速度,最后将这些结果进行加权平均从而得到总时间。
这就像运动员在跑椭圆操场一样,不同的弯道其速度是不一样的,而且必须要分段进行计时,接下来再将这些计时结果求和。
您或许会好奇:为啥不直接按365天算呢?
其实古代天文学家很早便尝试了“轨道圆化”这般简化模型;比如说古埃及历法,其假设地球匀速地环绕着圆形运转。
不过很快他们便发觉季节始终无法对应得上。
直到16世纪,郭守敬在河南登封观星台,测出冬至时刻逐年提前的现象才首次用实证,推翻了圆形轨道的猜想。
现在我们知道,地球轨道的椭圆率,虽然只有0.0167(相较于鸡蛋而言更为圆),但恰恰是这一点“不完美之处”,让春夏秋冬的时长呈现出差异——比如说今年从立春到立夏是89天,而从立秋到立冬却有93天,全部都是地球“像在变速跑般弄出来的”。
太阳每11年的黑子活动周期,会轻微地改变太阳风的压力,而且就像逆风跑时速度会变慢那样;木星和土星的引力“拉扯实际上相当于有巨人在轨道旁施加“推拉力”。2024年《自然·天文学》刊登的最新研究指出,地球内核的质量分布变化(比如地核每年向北极移动约1厘米),或许能够通过角动量守恒定律,对公转速度产生“蝴蝶效应”。
这些内外因素彼此交织,从而导致地球的公转周期如同一台精密的仪器一般。
每过一百年,就会出现0.0001秒这样细微的偏差,不过这一现象在天文学范畴内其实并不稀奇,与此同时它也充分展现出了地球运行机制的复杂程度。
当太阳系在2.5亿年后完成一次银河系环游,我们的一年是否会变成全新的模样?
这样的年度“旅行”,是不是比任何科幻故事都更令人惊叹呢?