Question

如果一个星系中有两颗恒星互相围绕旋转，那么周围的行星会受什么影响？

假设存在这么一个星系，而周围的行星有适宜人类居住的行星，那么那颗行星可能会有什么特点呢？比如是否会有时刻转变的重力系统，或是能够形成某些特殊的景观？

Answer 1

你说的这个是物理双星系统，有行星的概率很小，但还是有的

物理双星系统附近也能存在行星

行星绕着双恒星运转示意图
人们在过去倾向于认为双星系统不会拥有行星，因为在双星系统中，行星很可能不是被其中一颗恒星吸进去就是被甩到宇宙空间。不过到1996年天文学家就在天鹅座的天鹅-π(π Cyg，中国古代叫螣蛇四)这个双星系统就发现了一颗行星，打破了人们昔日的结论。
天鹅-π是由主星Azelfafage(π1 Cyg)的和伴星π2 Cyg组成的双星，这颗有1.69倍木星质量的行星以798.9天的周期围绕着这颗伴星旋转，而伴星又带着她同主星Azelfafage绕转。也许是由于受到主星的影响，这颗行星的绕伴星旋转的轨道偏心率非常大，达到0.67，是一个很长的椭圆轨道，轨道的半长轴是1.67个天文单位。
不过总的来说，这个行星和塔图因的情况不象，因为这颗行星只和那颗伴星关系密切，天鹅-π的主星Azelfafage远在700个天文单位以外，而冥王星距离太阳最远的时候也不过50天文单位。所以这个行星其实和我们地球类似，当单星系统理解也没什么问题。在那个星球上看天，也只有一颗太阳，Azelfafage和其它星星一样只是一个点，只不过这个星星特别的亮而已。
6年后，天文学家第一次发现了围绕密近双星运行的行星。在距离我们45光年的仙王-γ双星系统中，有一颗行星围绕较亮的那颗恒星运转。该恒星质量大约是太阳的1.59倍，行星的质量则约为木星的1.76倍。新行星距离主星约2个天文单位，稍远于火星与太阳的距离。该双星系统中的另一恒星与主星的距离约25－30个天文单位，大约与天王星和太阳的距离相当。在这样的星球上，就的确如同塔图因那样有两个太阳照耀了，如果这个星球上有文明的话，他们肯定创造不出“天无二日”这样的话。

艺术家笔下描绘的仙王-γ 双星系统中的行星和两颗结伴而行的恒星。做为前景的行星每隔2.5年就环绕那颗明亮的黄星运行一周。

新行星在距离主星约2个天文单位的轨道上绕其运转，该双星系统中的另一个子星距离主恒星仅由25－30个天文单位。上图中轨道大小是按比例画的，天体大小则未按真实比例。
不过天文学家对于这个行星为什么会存在感到好奇，因为在这种双星系统生成初期的尘埃盘应该难以凝聚成为行星，看来我们对这方面的认识需要进一步加深。不过也可能这个行星是从别处俘获的。
研究双星系统中的行星，最有趣也最重要的是研究它们的轨道，因为基本可说轨道决定了这个行星上的一切，包括接受阳光的多少，潮汐力的大小，季节的变化等等，如果想知道一个星球是否有出现生命的可能，这些无疑都是重要的考量范围。下面我介绍一下行星的轨道类型
在最初研究时为了简化情况，首先我们先设定五个条件
1、两恒星质量相等
2、两恒星分享一个正圆型轨道
3、行星轨道和双星轨道在同一平面上
4、行星的质量相对双星来说可以完全忽略
5、没有潮汐效应
我们并把行星轨道分两种，一种是在外围同时绕两个恒星运转，称为外围轨道；一种是只绕其中一个恒星运转，称为内部轨道。

大外围轨道
行星围绕双星的轨道中最简单的，是行星距离双星非常遥远，这样来自双星的引力会近似于一颗质量为它们两者之和的恒星，在这样的情况下，行星将会沿一般的椭圆形轨道同时绕这两颗恒星运行。尽管天上总是有两颗太阳同时照耀，但这样的行星无疑会和冥王星一样寒冷。
行星的轨道运转方向和两颗恒星相互绕转的方向一致，对此我们称为顺行，在这种系统中逆行也不影响稳定性。两颗恒星被设定为质量相等，行星距离系统中心的距离是两恒星之间距离的10倍，公转周期是双星绕转周期的31.6倍。其实距离只要达到8倍左右，两颗恒星的引力加总后的变动范围就已经很接近单颗恒星了。需要注意的是，我们目前先将行星轨道考虑为正圆，现实世界中的轨道应该是个或圆或扁的椭圆，这点我们到后边再考虑。
行星同两颗恒星三者间按不同的方位排列时，受到的引力大小是不同的，在8倍距离以上时最大值和最小值之间的差距很小，但随着行星距离中心的距离缩小，引力加总后的波动范围就将增大。所以当行星距离中心近的时候，就不能把两颗恒星近似考虑成一个等于它们之和的大恒星，其稳定关系也将变化。
行星距离系统中心的距离是两个恒星之间距离的2倍，公转周期是双星绕转周期的2.77倍。由于三者之间位置的变化，引力的效果将使得行星轨道不会近似上图的圆形，但幅度比较小，而且整个系统将是完全稳定存在的。在我看来，遍布沙漠的就是这一类行星，这样的行星上，两颗太阳会结伴同升同落。
而让人惊讶的是，如果这个行星不是逆行而是顺行，整个系统将无法稳定存在，行星不是被恒星吞了就是要飞出去。为什么逆行稳定而顺行不稳定？这是因为顺行行星承受的引力场强度波动和逆行行星承受的振幅相同但周期更长，较长的周期将会减弱稳定的效果最终导致失衡。
小外围轨道
根据刚才说的，小外围轨道中只有逆行才能稳定存在，顺行必然无法长久。
恒星逆行，周期是双星绕转周期的0.6倍，也就是说完成一个公转比双星绕转一周要快得多，和前述2倍距离行星的轨道比，它的轨道已经出现了明显的波动，同中心的距离是两个恒星之间距离的0.84倍到0.74倍之间，而每颗恒星到中心的距离自然是0.5倍。行星同中心的距离变化规律是这样的：当行星和双星三者处于同一条直线上，行星距离系统中心最远；当行星和两颗恒星距离一样时(也就是说与两恒星组成一等腰三角形时)，行星距离系统中心最近。
现在，让行星和系统中心再接近些，则轨道的波动会进一步增大，距离最远为0.70倍双星间距，最近为0.55倍。行星公转周期为双星绕转周期的0.42倍。
行星逆行轨道周期是1倍双星绕转周期，轨道形状就成了这个发圆的正方形，行星每公转一周都会出现4次和两恒星组成一条直线的情形。
现在，行星公转周期是双星周期的0.5倍，出现这个发圆的三角形，行星每公转一周都会3次和两恒星组成一条直线。
公转周期变成1/3倍，在这种情况下，有时行星都跑道双星绕转轨道之内了。
到这一步，其实都已经是理论上的东西了，因为随着我们把行星推得越来越靠内，这颗倒霉的行星总要被潮汐力撕裂的，具体什么时候会裂，取决于这些星体的大小。

偏心外围轨道
到目前为止我们都在讨论非常接近圆形的外围轨道，如果一个行星的轨道是有偏心率会怎样？
一个以高偏心率的逆行椭圆轨道围绕双星运转的行星，公转周期大约是12.5倍双星周期，最远距离达到双星间距的10倍。而椭圆形轨道会沿着行星公转的同一方向绕着双星核心漂移。

复杂外围轨道
我们已经从正圆过渡到椭圆，向现实世界接近了一步，现在让我们再进一步过渡。我们把假设的头一条去掉，因为现实世界中不会出现两颗恒星质量相等的情况，而当它们不等之后，第二条也将被去掉，因为它们之间绕转的轨道必定不再会是一个正圆，而是以各自的椭圆轨道相互绕转。
行星则有一个逆行的外围轨道，而且有不小的质量，行星和两颗恒星之间的质量比为1:10:20。这种非常接近现实的情况下，由于引力场复杂了，轨道要复杂得多，但是轨道仍将是稳定的。
行星对恒星的轨道摄动会有几个效果：双星的质心会绕整个三体系统的质心旋转；两颗恒星相互绕转的轨道不会是标准的椭圆，而且轨道将会漂移。
最小的椭圆轨道属于质量最大的那颗恒星，中等的椭圆轨道属于质量小的那颗恒星，而最大的椭圆轨道属于行星。
由于存在潮汐效应，如果出现行星距离恒星太近，以至于潮汐效应太大的情况，轨道将不会稳定。
到现在，5个前提条件已经被去掉4个。但如果加上轨道倾角的考虑，就不是这种二维模型能解决的了，其复杂度将大为增加，这篇文章将不考虑继续深化。不过可以说的是，即使加上轨道倾角也并不会降低系统稳定性。

内部轨道
到目前为止，我们还没有发现过具有外围轨道的行星，我在开篇介绍的那两颗行星都属于是在内部轨道上运转的行星。
在前面介绍仙王-γ双星系统中的行星时，给出的轨道图似乎是一颗恒星不动，另外一颗恒星绕之运转。其实真正的轨道图应该是：两颗恒星是相互绕转的，行星的轨道也就不会是前面介绍仙王-γ时的那么简单。
开篇介绍的那两颗行星都是距离其中一颗恒星近，而距离另外一颗相当远，这种情况下，行星受的引力场影响其实和单独的恒星系统没多大差别。行星绕其恒星公转的周期等于双星相互绕转周期的0.042倍。如果是逆行轨道，在这样的距离一颗恒星近而距离另外一颗相当远的情况下，顺行也是稳定的。然而，如果行星的轨道范围扩大，从而和另外一颗恒星也很近的时候，顺行将成为不可能。只有逆行轨道才可能出现。行星和其绕转的那颗恒星的距离等于双星距离的一半。如果进一步接近另外一颗恒星，让行星和其绕转的那颗恒星的距离等于双星距离的0.67倍。
把上面轨道模型叫做冰激凌勺轨道，因为行星轨道的样子和我们吃冰激凌时用的木勺一样。行星的公转周期和双星的绕转周期是完全相等的，行星其实是只绕着标志为PARENT STAR的恒行转，但由于另外一颗恒星的影响，已经看不太出来这种关系了，有的时候行星距离另外一颗恒星的距离比同它真正绕转的恒星还近。
这种模型是很有意思的，但是现实中能否有这样的巧合就不好说了。而且两颗恒星的距离不能太近，因为太近了恒星间将出现物质交换，当行星正好运转到两恒星之间的时候，会被交换的物质化为一片飞灰。
把前面的简化一下，让两颗恒星的位置保持不变，这样行星轨道就不出现漂移，也就能看清楚行星轨道受的影响了。
最后，两颗恒星同行星三者之间组成一个正三角形的情况也会出现，根据拉格朗日在“三体问题”中的证明，它们将始终保持正三角形的相对位置不变，就如同特洛伊群同木星和太阳的关系一样。当然，这样只会有顺行，不会有逆行，否则行星会直接撞到恒星上。

我们目前考虑的都是一个行星和双星间的关系，再多的话呢，在双星中辅星的前后拉格朗日点上各一行星的关系肯定是没问题的。其他情况就复杂了，各个行星间的相互摄动将超出这里介绍的范围。但可以预料到的是，这种行星系统完全可能出现，我们经常说如果木星大一些的话就太阳系就可以成为一个双星系统，如果真是如此的话，我们的太阳系不就是这样的例子吗？倘若不考虑木星的恒星风对形成行星的早期云盘的影响的话，让其他行星都能照旧形成，那么我们的地球和水星、金星、火星就是属于内部轨道运转的行星，也就是说只绕太阳，不绕木星，而且由于距离太阳近，顺行也没关系。海王星和更外的行星是大外围轨道，同时绕太阳和木星两颗恒星转。至于土星，则复杂了点，两恒星的距离是5.2天文单位，恒星的质量重心肯定靠近太阳，但不论如何土星和系统中心的距离都不会大于5.2天文单位的2倍，属于小外围轨道。作为行星的木星是不会影响什么的，但是作为恒星的木星质量要大得多(至少需要比现在大80倍)，从而对于顺行的土星有不利影响，土星是无法稳定存在的。介于土星和海王星之间的天王星，则看木星质量到底多大才能决定生存的可能。
至于多了一颗木星太阳照耀的地球是否能产生生命，就有待商榷了，不过可以料想的是，如果在地球上有文明的存在的话，它的天文学和物理学发展恐怕要比较慢。由于那里白天长黑夜短，的第谷恐怕积累不了太多的观测资料，开普勒从而缺少资料来分析，而且由于木星的质量比现在大许多，那种双星系的行星系统中行星的运转过于复杂，开普勒恐怕穷其一生都分析不出开普勒三定律，而没有开普勒三定律为基础的话，牛顿就算被1千只苹果打破了头也创立不了万有引力定律。

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追问

那么如果一颗恒星小，一颗恒星大互相旋转呢？也就是说两颗恒星外围的行星会先围绕着一颗恒星公转，然后进入另一颗恒星的立场后再围绕另一颗旋转么？这样的话不知道两颗恒星只能一同出现。不知道会不会出现（假设大恒星为X，小恒星为S）进入X的立场时为炎热天气，而进入S的立场时为冬天呢？而地面的居民也能通过两颗太阳的位置推测出现在的气候？

追答

文中有详细解答
另外还有一个科幻小说叫三体，是我国最佳科幻小说。里面想象半人马座阿尔法三星系统中有一颗行星，有时被恒星捕获，有时飘荡在星系中，不过这是小说，并不太科学

Answer 2

恒星不是不动的么