轨道共振轨道对齐的行星所表演的引人注目的引力之舞

行星围绕其母恒星运行，但相隔很远——在我们的太阳系中，行星就像足球场大小的区域中的沙粒。行星绕太阳公转所需的时间彼此之间没有特定的关系。

但有时，它们的轨道会呈现出惊人的模式。例如，天文学家在研究100光年外围绕恒星运行的六颗行星时发现，它们以几乎有节奏的节奏绕恒星运行，而且完全同步。每对行星完成其轨道的时间都是整数比，从而使行星能够在其轨道上对齐并对其施加引力推拉。

这种类型的引力排列称为轨道共振，它就像遥远行星之间的和谐。

我是一名天文学家，研究宇宙学并撰写有关宇宙学的文章。过去30年来，研究人员已经发现了5,600多颗系外行星，它们非凡的多样性继续让天文学家感到惊讶。

各领域的和谐

2500年前，希腊数学家毕达哥拉斯通过分析铁匠锤子和拨弦的声音发现了音乐和声的原理。

他相信数学是自然世界的核心，并提出太阳、月亮和行星都根据其轨道特性发出独特的嗡嗡声。他认为这种“球体的音乐”是人耳无法察觉的。

四百年前，约翰尼斯·开普勒提出了这个想法。他提出音乐音程和和声描述了当时六颗已知行星的运动。

对于开普勒来说，太阳系有两个低音：木星和土星;男高音，火星;两个低音，金星和地球;还有女高音墨丘利。这些角色反映了每个行星绕太阳运行的时间、外行星的速度较低和内行星的速度较高。

他将他所写的关于这些数学关系的书称为“世界的和谐”。虽然这些想法与轨道共振的概念有一些相似之处，但行星实际上不会发出声音，因为声音无法穿过太空的真空。

轨道共振

当行星或卫星的轨道周期为整数比时，就会发生共振。轨道周期是行星绕恒星一周所需的时间。例如，当一颗行星绕恒星运行的时间是另一颗行星的两倍时，绕恒星运行的两颗行星将处于2:1共振。只有5%的行星系统存在共振。

在太阳系中，海王星和冥王星处于3:2的共振。木星的三颗卫星：木卫三、木卫二和木卫一之间也存在三重共振，即4:2:1。在木卫三绕木星运行的时间内，木卫二绕木星运行两次，木卫一绕木星运行四次。当行星的轨道周期恰好是整数之比时，共振就会自然发生。

音程描述了两个音符之间的关系。在音乐类比中，基于频率比率的重要音程是第四音程(4:3)、第五音程(3:2)和八度音程(2:1)。任何弹吉他或钢琴的人都可能认识这些音程。

音程可以用来创造音阶和和声。

轨道共振可以改变重力影响两个物体的方式，使它们加速、减速、稳定在轨道上，有时甚至会扰乱轨道。

想象一下推着一个孩子荡秋千。行星和秋千都有固有频率。给孩子一个与摆动动作相匹配的推力，他们就会得到推动。如果您每隔一次或每三次推动他们处于该位置，他们也会得到推动。但随机地推动它们，有时随着秋千的运动，有时相反，它们得不到任何推动。

对于行星来说，助推可以让它们继续沿着轨道运行，但更有可能扰乱它们的轨道。

系外行星共振

系外行星或太阳系外的行星显示了共振的惊人例子，不仅在两个物体之间，而且在涉及三个或更多物体的共振“链”之间。

轨道共振会导致行星或小行星加速或开始摆动。

Gliese876恒星拥有三颗行星，轨道周期比为4:2:1，就像木星的三颗卫星一样。开普勒223有四颗行星，比例为8:6:4:3。

红矮星开普勒80有五颗行星，比例为9:6:4:3:2，TOI178有六颗行星，其中五颗处于共振链中，比例为18:9:6:4:3。

谐振链的最新示例是HD110067系统。它距离我们大约100光年，有六颗亚海王星行星，是一种常见的系外行星，轨道比为54:36:24:16:12:9。这一发现很有趣，因为大多数共振链都是不稳定的，并且会随着时间的推移而消失。

尽管有这些例子，共振链还是很少见，只有1%的行星系统显示它们。天文学家认为行星是在共振中形成的，但随着时间的推移，经过的恒星和徘徊的行星产生的微小引力推动会消除共振。HD110067的共振链已经存在了数十亿年，提供了系统形成时罕见且原始的视图。

天文学家使用一种称为“声音化”的技术将复杂的视觉数据转化为声音。它为人们提供了一种不同的方式来欣赏哈勃太空望远镜的美丽图像，并已应用于X射线数据和引力波。

对于系外行星，声音化可以传达其轨道的数学关系。欧洲南方天文台的天文学家创造了他们所谓的“天体音乐”通过将五声音阶的声音与五颗行星中的每一颗联系起来，为TOI178系统

类似的音乐翻译轨道频率放大了2.12亿倍，使其进入可听范围。

天文学家还为HD110067系统创建了一个可听化系统。人们可能不同意这些演绎听起来是否像真正的音乐，但看到毕达哥拉斯的想法在2,500年后实现是令人鼓舞的。