关于太阳系 | 运动中的牛顿引力

微缩的太阳系

应用中的太阳质量为 1000，每颗行星、卫星和矮行星都保持相对于它的真实质量，因此质量为 1 的木星大致符合 1 比 1047 的真实比例。行星保留真实的顺序和倾角，矮行星保留真实的轨道，但距离被压缩，好让水星和海王星同时出现在屏幕上：海王星与太阳的距离是地球的 4.5 倍，而不是 30 倍。每个天体都按牛顿定律受到其他所有天体的吸引，所以这些轨道来自支配真实轨道的同一条规律。火星和木星之间那层淡淡的尘埃就是小行星带：1500 颗小行星，小到无法吸引任何天体，又多到无法逐一计算，所以每一颗都只沿着一个固定的椭圆绕太阳运行。它们的轨道像真实的一样被拉长并倾斜，所以小行星带是一个厚厚的环，而且它们避开了被木星引力清空的柯克伍德空隙。三艘航天器以小图标的形式在它们之间飞行：帕克太阳探测器俯冲到距太阳 690 万公里以内，比任何人造物体都更近，轨道一直延伸到金星；詹姆斯·韦布空间望远镜绕着地球外侧 150 万公里处的 L2 点运行，画在 18 倍远的地方，就在月球外侧；旅行者1号是最遥远的航天器，远在 171 天文单位之外，每年远离 3.6 天文单位，远到只能由边缘的箭头指出它的方向。它们没有质量，按公式沿真实路径运动，因为韦布望远镜只有靠推进器点火才能停留在平衡点上。

收藏会带你去哪里

每个收藏都会把镜头带到同一个正在运行的太阳系中的某处，而天体会继续运动。“整个太阳系”和“内行星”以斜角观看。“地球与月球”“火星”“木星”“土星”“天王星”“海王星”以及“冥王星与卡戎”会随该天体一起飞行，取景时让它的卫星都能容纳在画面中。“柯伊伯带”俯瞰外太阳系，运行速度快十五倍，所以海王星不到一分钟就绕一圈。“随机”会飞到随机选中的一个天体近处。

阿波罗 17 号所见的地球，蓝色弹珠 — 阿波罗 17 号拍摄的地球。图像：NASA，公有领域

三维空间中的轨道

行星并不在同一个平面上公转。每条轨道都相对地球轨道所在的平面（即黄道面）略有倾斜：水星倾斜 7°，金星 3.4°，土星 2.5°，其余行星都不到 2°。迷你太阳系采用了这些真实的倾角，其中的月球绕地球运行，轨道倾斜 5.1°，与真实的月球一样。读数中的倾角 i 就是这个倾斜角度。拖动画面可将其旋转，也可以在“视图”中选择“侧向”，从侧面观察轨道。把画面放大到八大行星中任意一颗或月球的近处，就能看到一个绕真实倾斜自转轴转动的球体：地球有真实的海岸线、云层、冰盖，夜半球上还有城市灯光；火星有深色斑纹和白色极冠。金星只露出浓厚的淡黄色云层顶部，这些云每四个地球日就逆向绕行星一周。木星可见其云带与亮区以及大红斑，土星则可见较柔和的云带、北极周围的六边形和光环的影子。侧躺着自转的天王星是一颗淡青色的球，一极上方笼着明亮的薄雾；海王星则是更深的蓝色，带着白云和旅行者2号在1989年看到的大暗斑。相对于它们的一年，这里的一天比真实的长得多，便于看清转动。有两个天体保持着真实的自转：灰色、布满陨石坑的水星每绕太阳两圈就自转三圈；月球每绕地球一圈就自转一圈，因此总以同一面朝向地球，可见其暗色的月海和第谷环形山明亮的辐射纹。土星最大的卫星土卫六（泰坦）是一团橙色的雾霾，那是它浓厚氮气大气中的烟雾，边缘环绕着一层薄薄的蓝色；它也始终以同一面朝向土星。天王星的卫星画成旅行者2号在1986年看到的样子：灰色的米兰达布满冕状地形，那是明暗条带相间的巨大椭圆，其中一个带有明亮的V形图案；泰坦妮亚布满陨石坑，并被长长的峡谷劈开；颜色更暗的奥伯龙，最大的几个陨石坑底部发暗，四周是明亮的辐射纹。海王星最大的卫星特里同画成旅行者2号在1989年看到的样子：南极上覆盖着一层淡粉色的氮霜极冠，上面有间歇泉羽流留下的深色条纹；极冠之外是更灰的地面，像哈密瓜皮一样布满凹坑，还有很久以前被冰质熔岩淹没的平坦平原。火星的两颗小卫星都不是球形：火卫一长 27 公里，是一块布满陨石坑、刻着平行沟槽的暗色岩块，一端有巨大的斯蒂克尼陨石坑；火卫二只有它一半大，表面更平滑，陨石坑被尘土填得模糊。两者都把长的一端始终朝向火星。把画面放大到太阳近处，就能看到它的表面：中央最亮，越靠近边缘越暗、越红，因为那里只能看到它较冷的上层气体；表面有细密的斑驳，还有几群太阳黑子，随着太阳每 25 天自转一圈而缓缓移过。土星环依照卡西尼号探测器的测量绘制：暗淡透明的 C 环、明亮的 B 环、深色的卡西尼环缝，以及带有恩克环缝的 A 环，近看还有细密的纹路。土星的影子横跨在环上；从环没有被照亮的一面看去，稠密的 B 环变暗，阳光则透过较薄的环发出微光。放大后，木星的云层就像朱诺号和哈勃望远镜所拍到的那样翻腾：北赤道带边缘的深色热斑拖着蓝灰色的垂饰状云，缩小到约 1.6 万公里的大红斑在浅色的凹陷中盘旋，旁边是椭圆 BA 和一串白色椭圆风暴，两极则挤满了蓝灰色的风暴。放大后，天王星明亮的极冠边缘有一圈较暗的带，外面还有几个小风暴；它窄而暗的环则显现为淡淡的细线，其中 ε 环最亮，正如詹姆斯·韦布空间望远镜所见。海王星的蓝色是它的真实颜色：一种柔和的天蓝，只比天王星深一点，旅行者2号的照片在去掉增强的对比度后就是这样。放大后可以看到，它高处的白云投下淡淡的影子，南极上方有一个明亮的涡旋，周围环绕着暗淡的尘埃环，其中亚当斯环上有随环一起转动的较亮的弧段。放大后，水星呈现出信使号探测器绘制的样子：巨大的卡洛里斯盆地，平滑浅色的底部被山脉环绕；遥远北方的平坦平原；行星冷却收缩时形成的长长断崖；以及岩石蒸发后留下的明亮、带蓝色的洼地。金星的云在肉眼看来几乎毫无特征，所以云上的花纹只画得很淡：紫外相机看到的深色 Y 形图案、弧形条纹、赤道周围斑驳的对流单元，以及每个极区周围的明亮环带。放大后，月球的月海以参差的岸线连成一片，每股熔岩流的色调略有不同，富含钛的地方稍微偏蓝，比如静海；柏拉图环形山和格里马尔迪环形山底部深暗，东海的环形山脉则在它的西缘形成一个靶心。

矮行星与柯伊伯带

从 1930 年被发现到 2006 年，天文学家一直把冥王星算作第九大行星；2006 年，国际天文学联合会把它归为矮行星。它位于柯伊伯带，即海王星轨道以外由冰冷天体组成的区域。柯伊伯带天体是由冰和岩石组成的小天体，是太阳系早期留下的遗迹。在迷你太阳系中，冥王星沿着它的真实轨道运行：偏心率 0.25，倾角 17°，近日点就在海王星轨道以内。海王星每转三圈，冥王星转两圈，这种 3:2 共振让两者始终相距很远。冥王星最大的卫星卡戎有真实的质量，约为冥王星的八分之一，所以两者绕着它们之间的一点旋转；它的轨道平面也和真实的一样，几乎是竖直的。真实的卡戎每 6.4 天绕一圈，快得无法在这里计算，所以把它放得更远，每个冥王星年大约绕 50 圈，并像月球一样画在 60 倍远的地方。其他有名字的矮行星也沿着 JPL 给出的真实轨道运行，并从它们在 2026 年 6 月 9 日所在的位置出发：小行星带里的谷神星，它的距离像行星一样被压缩；柯伊伯带里的妊神星和鸟神星；还有阋神星，它沿着倾斜 44° 的轨道远行到 97 天文单位。周围环绕着 160 个仿照真实柯伊伯带生成的天体。大多数在距太阳 42 到 48 天文单位处沿近圆轨道运行，有些倾角很大，其中四分之一是冥族小天体，与冥王星处于同样的共振。海王星以外的部分沿用海王星的比例尺，所以这些轨道相对海王星保持真实的周期。把画面放大到冥王星和卡戎近处，就能看到新视野号在2015年看到的样子：冥王星明亮的“心”，其中有冰封的斯普特尼克平原，还有暗红色的克苏鲁区；灰色的卡戎北极上方覆着一顶红褐色的“帽子”。两者始终以同一面相对。其他矮行星也可以放大近看：黎明号探测器所见的谷神星，黝黑而布满陨石坑，奥卡托陨石坑里有明亮的盐斑；妊神星像一颗带着暗红色斑点的冰“蛋”，每 3.9 小时自转一圈，外面环绕着一道细环；鸟神星呈红褐色；阋神星几乎纯白，是太阳系中最亮的天体之一。柯伊伯带天体按真实的样子绘制：颜色从灰色到深红色，表面黝黑。放大到其中一个近处，就能看到一个凹凸不平的小世界，或是两个粘在一起的瓣体，就像新视野号在2019年飞掠的阿罗科斯。

木星的伽利略卫星

伽利略在 1610 年首次看到木星的四颗最大卫星，它们合起来几乎占了木星卫星系统的全部质量。木卫一（艾奥）是太阳系中火山活动最剧烈的天体，被木星的潮汐不断加热。木卫二（欧罗巴）光滑的冰壳下很可能藏着一片液态水海洋。木卫三（盖尼米德）是太阳系最大的卫星，比水星还大，也是已知唯一能产生自身磁场的卫星。木卫四（卡利斯托）有一个古老、布满陨石坑的冰岩表面，下面或许也有海洋。在迷你太阳系中，它们有真实的质量，在木星的赤道面上运行。真实的伽利略卫星每 1.8 到 16.7 天绕一圈，快得无法在这里计算，所以把它们放得更远，但保持真实的距离比例：欧罗巴每绕一圈，艾奥仍绕两圈；盖尼米德每绕一圈，艾奥绕四圈，这就是拉普拉斯共振。它们画在 14 倍远的地方。放大到它们近处，就能看到伽利略号探测器所见的样子：艾奥被硫黄染成黄色，两极呈红褐色，散布着深色的火山，有的周围环着一圈红色；欧罗巴明亮的冰面上布满红褐色的裂纹；盖尼米德较浅的沟槽地形之间夹着古老的深色区域，两极覆着白霜；卡利斯托颜色暗淡，环形盆地瓦尔哈拉周围挤满了陨石坑。它们都始终以同一面朝向木星。

常见问题

太阳的质量真实吗？

在迷你太阳系中，太阳为 1000，木星为 1。真实的木星约为太阳的 1/1047，所以这个比例很接近。月球的质量是地球的 1/81，与地球的距离是日地距离的 1/389，与真实的月球相同。这么近在地球旁边看不清，所以它被画在 60 倍远的地方。火星有两颗小卫星，火卫一和火卫二，它们有真实的质量，在火星的赤道面上运行，赤道面与地球轨道成 26.7° 倾角。真实的火卫一和火卫二分别每 7.7 小时和 30 小时绕一圈，快得无法在这里计算，所以把它们放得更远，但保持真实的距离比例，因此火卫二每绕一圈，火卫一仍然绕四圈；两者都画在 120 倍远的地方。土星最大的卫星土卫六（泰坦）是唯一拥有浓厚大气的卫星，它有真实的质量，在土星的赤道面上运行，也就是土星环所在的平面。真实的泰坦每 16 天绕一圈，所以它也被放得更远，并画在 12 倍远的地方。海王星最大的卫星海卫一（特里同）逆着海王星的自转方向倒着公转，很可能是从柯伊伯带俘获来的。它有真实的质量，轨道也和真实的一样，与地球轨道成 130° 倾角；但真实的特里同每 5.9 天绕一圈，所以它也被放得更远，并画在 30 倍远的地方。天王星是躺着自转的，所以它的卫星天卫五（米兰达）、天卫三（泰坦妮亚）和天卫四（奥伯龙）在一个几乎竖直的平面上绕它运行，与地球轨道成 98° 倾角。它们有真实的质量。泰坦妮亚和奥伯龙保持真实的间距，奥伯龙远三分之一；真实的两颗卫星分别每 8.7 天和 13.5 天绕一圈，所以它们也被放得更远。最靠内的米兰达只要 1.4 天就绕一圈，所以它比真实的更靠近泰坦妮亚。三颗卫星都画在 50 倍远的地方。

行星是从它们今天所在的位置出发的吗？

矮行星是的：它们根据 JPL 的轨道根数，从 2026 年 6 月 9 日所在的位置出发。行星则从绕太阳的固定位置出发，沿着近圆轨道运行，所以画面展示的是它们如何运动，而不是今晚的星空。

PictorX 会上传模拟吗？

不会。它在你浏览器中的画布上运行。“保存”会下载 PNG，“编辑”会在 PictorX 编辑器中打开该图像。

为什么冥王星不再是行星？

2006 年，国际天文学联合会规定，行星必须绕太阳运行、质量大到能靠自身引力变成球形，并且已清空其轨道附近的区域。冥王星满足前两条，但与柯伊伯带天体共享同一区域，所以现在是矮行星。在本应用中，它和其他天体一样遵循牛顿定律。