第八问，产生双星系统的原理是什么？
2018-12-12 07:23阅读：
我们在许多科普书里，甚至中学的教材上都可以看到，介绍宇宙中普遍存在的双星现象，以及双星系统的特征等等，那么为什么观察到的双星系统比单星系统多？单星系统与双星系统之间有什么关联？双星系统是如何产生的？是不是像教科书上定义的那样，只有恒星才会组成双星系统？对这些随口就能提出的简单问题，我们的物理学家们是否能够给出令人满意的解答呢？下面就个人的知识和思考，通过逻辑推理，给出本文作者的一家之见，请物理学专家们能够给予批评指正。
双星现象是会发光、发热的恒星才可以拥有的特权吗？非也！两个不发光的行星也可以组成双星系统，就像冥王星和卡戎（冥卫一）星组成双矮行星系统一样，地球和月球也组成了双行星系统。我们的一些天文物理学专家们，把月球定义为地球的天然卫星，说明这些专家对双星系统没有正确的认识，只从表面现象看问题，就像一个冰上芭蕾舞演员在高速旋转时看世界一样，只站在表演者的角度，像是外部世界的一切都在围绕着她运转，自己成了世界的中心一样，地球人站在地球上看月亮，就像月亮在绕着地球转，所以月亮就成了地球的卫星。其实月亮是在围绕着地球和月球组成的双星系统的共同质心在运转，而非围绕着地球在运转，地球本身也在围绕着这个共同质心在运转，只不过这个共同质心现在已移到了地球内部，距离地表约1650千米处的地壳内，地球与月球都在以相同的角速度围绕着共同质心在运转，由于两个星球各自的质心距共同质心的距离相差80多倍，所以月球要以远比地球快的多的线速度围绕共同质心做圆周运动，加上地球本身又在自转，所以很容易被人们误认为月球是在围绕着地球转动。如果把月球人为的定义成地球的卫星，那么月球的运行轨道与黄道平面近乎重叠，同时月球的运转方向与其他行星的运转方向一致等综合表现，就是一个上万、上十万分之一的碰巧偶发事件；但是如果把地球月球看成是双星系统，那么月球的运行轨道与黄道平面重叠，以及月球的运转方向与其他行星的运转方向一致等情况的发生，就是一个必然事件。两个不同的定义，会产生后续人们对自然界认识上的本质差别，这个差别的现实意义以及对人类的影响，在我们的下一个“第九问”中会给出明确的解释。
双星现象是否是只有大的天体之间才会出现呢？不尽然！有太空人在太
空站中曾做过一个实验，在一个不大的密闭容器内，点燃了一些小火球，其中有两个小火球彼此自动保持一个相对固定的距离，相互绕动起来，就如同双星相互围绕着一个共同的中心在运动
一样
[1][DFL1]
。这个小实验至少表明两点：1
）一个物体自身高温产生的吸引力，要远大于这个物体自身质量产生的吸引力，也就是说，物体的热量是构成该物体吸引力的主要组成部分。因为两个和火球同样大小尺寸的水球，远比同样大小的火球的质量大的多，但这两个水球在太空中，彼此在这么远的距离上是完全看不出彼此之间的吸引力反应和互动的。2
）双星系统形成的原理不在于物体质量的大小，而在于双星各自吸引力的大小。当两个物体在适当的距离上，只要各自同时达到一定的吸引力，彼此就可以形成双星系统。为什么不受或少受外力作用的两个物体可以组成双星系统？在牛顿万有引力定律制定的规则下，上面提到的这两个太空实验中的小火球，应该彼此吸引，距离会越来越近，最后合并成为一个较大一点的火球，而这个实验中的所有小伙球，都不会碰撞在一起，当彼此充分接近到一个距离，较小的火球就会逃避碰撞而跳开，远离接近的另一个火球，这说明牛顿万有引力定律不适合双星系统这种客观现象。从“第五问”和“第六问”所讨论问题的观点出发，我们可以给出双星系统产生的原理，并对双星系统所展示出的特性给出解释。
在“第五问，牛顿万有引力定律中明确说是两个物体的吸引力，那么一个物体有吸引力吗？”中，我们讨论过一个物体也是有吸引力的，这个吸引力指向该物体的质心。如果是一个较为均匀球体的话，这个质心就是球体的中心。一个球体的吸引力有二重性，即对内方向的吸引力，和对外方向的排斥力。两个处于太空中的星球之间，首先是彼此方向相反的吸引力所形成的排斥力，然后才是吸引力强的星球克服了吸引力较弱星球的反向吸引力，剩余下来的差值，才形成了对弱势球体的吸引力。当强势一方吸引弱势一方到达一定的距离后，弱势一方的排斥力在较快的增加，最终达到可以抗衡强势一方吸引力，使强势一方就不能再进一步吸引弱势一方靠近自己，这样两个球体就会在此处以较为固定的距离，形成彼此距离的锁定，从而形成统一整体的双星系统。
星球之间会发生距离锁定这个事实，就让两个原本独立的星球可以组成一个整体，进而统一行动，这个统一行动的关键点就是共同质心，两个物体的共同质心就处在两个物体各自质心的连心线上。顺便说一下，为什么共同质心一定是在连心线上，而不在线外，这就又引出一个“十问”之外的另一话题，此处不再讨论。
在“第六问，两个物体之间的吸引力与两个物体的温度有关吗？”中我们讨论过，两个物体之间的吸引力不仅与两个物体的质量有关，更于两个物体自身具有的温度有关，上面所提到的太空小火球实验更是一个例证。这样就可以解释，两个相距遥远的恒星为什么可以组成双星系统，这是因为他们可以发光、发热，所以他们各自都拥有巨大的吸引力和排斥力，当他们双方在某一个距离上达成吸引力和排斥力相平衡，他们就可以形成距离上的彼此锁定，一旦相互之间锁定了，就是一个双星系统诞生了。双星系统一旦生成，只要没有外部足够强大的外力强行介入，那么双星系统就会保持下去，这就是说单星系统在遇到另一个单星系统时，就有机会升格为双星系统，但双星系统不易被拆散变回单星系统，这就形成了双恒星系统多于单恒星系统的现象。
行星不会发光，因为外表温度较低，所以行星的吸引力较恒星小很多，行星若想组成双星，彼此的距离锁定就应该远比双恒星为近，这就出现了冥王星和卡戎星、地球和月球分别组成较弱吸引力的双非恒星系统。
当双星系统中一个星球的吸引力变大或变小，双星系统的共同质心，就会在两个分别质心的连线上向相对吸引力增大的一方滑动。当两个星球的吸引力差别充分大时，共同质心就会进入较大吸引力一方星球的体内，此时由于两个星球围绕共同质心旋转的线速度不同，仿佛是小吸引力的星球，围绕着大吸引力的星球在做圆周运动，因此人们很容易被表面现象所迷惑，而被误认为是卫星。
为什么双星系统会以相同的角速度围绕共同质心做圆周运动？这是因为双星系统的质心正接受另一个更大的系统所支配在运动，如果共同质心不运动，则双星就不会运动，共同质心若运动，为了保证两个星球的质心和共同质心在一条直线上，两个星球的质心就必须立即调整自己的位置，使三个质心始终处在一条直线上，这就有了两个星球在相同的方向上、用相同的角速度协同运动以确保三个质心成一直线的特性，共同质心的运动速度快，这两个分质心的运动速度就快，共同质心运动速度慢，则两个分质心的运动速度就慢。
对于上面所论述的本人对双星系统的认识不知是否有误，请物理学专家权威们给予批评指正。
[1]
https://new.qq.com/omn/20180628/20180628A07E8T.html
【引用日期：2018
年12
月9
日】
