3: 轨道和重力
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你怎么会在太阳系的郊区找到一颗新的行星，它太暗了，肉眼看不见，而且距离太远，以至于它在恒星之间移动得非常缓慢？ 这是十九世纪天文学家在试图确定太阳系的完整清单时所面临的问题。
如果我们能从太空中的某个地方向下看太阳系，解释行星运动会简单得多。 但事实是，我们必须从我们自己的移动行星上观察所有其他行星的位置。 文艺复兴时期的科学家并不比其他行星的运动更了解地球运动的细节。 正如我们在《观测天空：天文学的诞生》中所看到的那样，他们的问题在于，他们必须仅通过对天空中其他行星位置的地面观测来推断出所有行星运动的本质。 为了更全面地解决这个复杂的问题，需要对行星系统进行更好的观测和更好的模型。
- 3.1: 行星运动定律
- 第谷·布拉赫对行星位置的精确观测为约翰内斯·开普勒得出行星运动的三个基本定律提供了数据。 开普勒定律将行星在其轨道上的行为描述如下：（1）行星轨道是椭圆，太阳处于同一个焦点；（2）在相等的间隔内，行星的轨道扫出相等的区域；（3）轨道周期（P）和轨道的半长轴（a）之间的关系由下式给出\(P^2 = a^3\)（当 a 以单位为单位时
- 3.2: 牛顿的伟大合成
- 艾萨克·牛顿在他的《Principia》中确立了控制物体运动的三个定律：（1）除非受到外力作用，否则物体将继续处于静止状态或以恒定速度移动；（2）外力导致物体加速（并改变动量）；（3）每次动作有一种相等和相反的反应。 动量是衡量物体运动的指标，取决于其质量和速度。
- 3.3: 牛顿万有引力定律
- 重力是所有质量之间的吸引力，是使行星保持在轨道上的原因。 牛顿的万有引力定律将引力与质量和距离联系起来。 重力是赋予我们重量感的原因。 与恒定质量不同，重量可以根据你感受到的重力（或加速度）而变化。 当根据牛顿的引力定律重新审视开普勒定律时，很明显，两个物体的质量对第三个物体都很重要
- 3.4: 太阳系中的轨道
- 卫星绕地球轨道上最近的点是其近地点，最远的点是其远地点（对应于绕太阳轨道的近日点和远日点）。 行星沿着环绕太阳的轨道行驶，这些轨道几乎是圆形的，位于同一个平面上。 大多数小行星位于火星和木星之间的小行星带中，而彗星通常沿着偏心率高的轨道行驶。
- 3.5: 卫星和航天器的运动
- 人造卫星的轨道取决于其发射的情况。 绕地球表面运行所需的圆形卫星速度为每秒 8 千米，而逃离我们星球的速度为每秒 11 千米。 有许多可能的行星际轨迹，包括那些使用一个物体的重力辅助飞越将航天器重定向到下一个目标的轨迹。
- 3.6: 两个以上物体的重力
- 计算两个以上物体的引力相互作用非常复杂，需要大型计算机。 如果一个物体（比如太阳系中的太阳）在引力上占主导地位，则可以根据微小的扰动来计算第二个物体的影响。 约翰·库奇·亚当斯（John Couch Adams）和厄本·勒维里尔（Urbain Le Verrier）使用这种方法根据海王星对天王星轨道的扰动来预测海王星的位置，从而在数学上发现了一颗新行星。
缩略图：这个太空栖息地和实验室每 90 分钟绕地球运行一次。 （来源：美国宇航局对作品的修改）