两颗行星有可能共用同一个公转轨道吗?

尽管偶尔会有彗星或小行星撞击的危险,但我们的太阳系实际上很稳定。只要太阳还在,八大行星都能在各自轨道上稳定地运行。然而,所有的恒星系统都是这样的吗?是否存在一种与我们不同的恒星系统,两颗行星共处同一个公转轨道?

根据国际天文学联合会(IAU)对行星的定义,它需要清除轨道上的其他天体。严格来说,行星的定义排除了两个行星共处同一公转轨道,因为如果有两个行星的话,轨道上的天体没有被清除。

不过,我们撇开技术性定义不谈,是否有可能出现两颗行星在同一个轨道上绕着恒星公转?

最大的问题是引力,因为引力可以通过两种方式毁掉共享一个公转轨道的行星:(1)其中一颗行星的引力作用“驱逐”另一颗,它要么被推向恒星,要么被推离恒星系统;(2)两颗行星的相互引力作用导致猛烈的碰撞。

事实上,后一种情况曾可能发生在地球上。当原始地球刚刚诞生不久,它与一颗行星发生了一场大碰撞,形成了今天我们所知的地球与月球。

两颗行星共用一个轨道不会真正的稳定,最好的情况是准稳定,这意味着在一定的时间之后,平衡将会被打破。但在此之前,两颗行星理论上可以共享同一个公转轨道数十亿年。这里就需要来了解一下“拉格朗日点”。

如果只考虑一颗恒星和一颗行星的情况,存在5个引力平衡点(拉格朗日点),其中恒星与行星的引力作用相互抵消。因此,理论上如果另一颗行星处在拉格朗日点上,三个天体都可以在轨道上稳定运行。但实际只有两个拉格朗日点(L4和L5)是稳定的,分别位于行星轨道前方和后方60度的位置上。而另外三个(L1,L2和L3)是不稳定的,它们位于两个天体的连线上,处在其中的天体最终不是相撞就是被驱逐。

然而,L4和L5是小行星的聚集点。在这些点上,气态巨行星可能有数以千计的小行星,例如,木星和特洛依群小行星共处同一轨道。地球也有一个:小行星3753,它目前正与地球处在一个准稳定的轨道上。虽然这颗小行星在十亿年的时间尺度上不稳定,但是绝对有可能存在两颗行星这样共用一个公转轨道。

除此之外,还有一种可能是两颗行星周期性地交换轨道:一颗行星的轨道靠里,另一颗的靠外,每隔一段时间互相交换轨道。尽管这听起来很疯狂,但在我们的太阳系中有一个例子:两颗土星的卫星——土卫十和土卫十一。每隔四年它们会相遇一次,两者之间的相互引力作用使它们的轨道相互交换,然后各自运行。

在过去27年中,天文学家已经多次观测到这两颗卫星的引力之舞。据目前所知,这种组合在太阳系的一生中都是稳定的。换言之,我们完全可以想象,在我们的星系中存在一个恒星系统,有两颗行星正以这样的方式运行着。