【原】是不是宇宙中所有的系星都是平坦的？

天文在线 2023-04-08 发布于云南

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问：为什么很多星系（包括我们的太阳系）和土星的环是平坦的？

答：物理学家到目前为止给出的最简短的答案是——“吸积”。

黑洞吸积

吸积：在几十亿年内使天体变得平坦

吸积是指物质在引力作用下从尘云或气体云或（通常情况下）两者皆有的云团坍缩的过程。在思考一片庞大的气体云在由外向内碰撞和坍缩时会发生什么之前，我们有必要探讨一下两大团尘云撞向对方时会发生什么。

弹性碰撞（上）与非弹性碰撞（下）

在一个完美的弹性碰撞中，物体弹开的角度会和它们碰撞时的角度一样。然而大多数碰撞都是非弹性的，这意味着碰撞的物体会在这个过程中损失能量，且物体运动轨迹间的夹角也会在碰撞后变小。在最极端的非弹性碰撞中，碰撞的物体甚至会粘连在一起；对于微小粒子间的碰撞，这种情况会比我们所想象的更容易发生。

盐在零重力时因为静电力自发的粘连在一起

随着时间，碰撞会以散热或发光的形式释放能量。因为损失能量意味着那些微小的尘埃颗粒和气体分子的运动会逐渐变慢（而这意味着它们会掉到越来越低的轨道上去），这些能量上的损失使得云团会在形态上收缩。但是碰撞也会使云团中的粒子的运动轨迹趋向一致。因此，一个“涨大蓬松”的云团中的尘埃气体分子本来可能在向各个任意方向运动，在经过吸积作用后，它们最终会演变成一个同一的旋转的平面。

每一个气体分子和尘埃颗粒都因为其他分子和颗粒的共同的引力作用（引力在这里不是某一个特定的点产生的，而是所有云团中物质的引力的合力）而沿着它们自己的旋转轨道运动。尽管每一个颗粒运动的路线是非常随机的，云团在沿某个方向总会有一个净旋转。这种说法的依据是，星际中的任何一个云团在诞生时会或多或好带有一点旋转。这很好理解：当我们往杯里倒咖啡时，最起码会有很小一部分咖啡在杯子里转动。在宇宙中，同样的涡流也会自然的出现在所有比咖啡杯更大的尺度中。因此，总体来看，任何宇宙中的云团都会沿某一方向转动。

星系UGC 12158的照片。这是被认为是在外观上最类似于银河系的星系。

云团中的物质会一直互相发生碰撞直到它的每一部分都经历了以下三种过程之一：1.逃逸，2.掉向中心，3.随着云团内颗粒流动方向运动。云团的大部分物质最终都会到中心。我们的太阳系就是一个很好的例子，在我们太阳系中心，太阳占据了99.86%的总质量。而那些停止碰撞随流动方向运动的物质组成了外面的环。

任何不在这个环平面上的物质的轨道势必会穿过这个环面，这就意味着碰撞会继续发生，能量会继续损失。最终，那些轨道不在环上的物质要么会和环上的物质一起运动，进入环轨道，要么就会因为失去过多的动能而坠落到环所绕的行星或恒星。事实上，在我们的太阳系中，仍有很多不受吸积影响的“太空流浪者”（小行星）在等待着“加入”（撞击）行星。

那些环本身其实就很令人兴奋。在环的内部，有一些因为更高的密度而区别于周围物质的块状团状物会吸引周围物质。最终，这些“团块”会在大的吸积盘中形成小的吸积盘。我们太阳系的黄道面作为一个大的吸积盘中又形成了小的吸积盘而最终演变成了我们现在熟知的八大行星。木星作为其中的一个小吸积盘，它的吸积盘上又形成了更小的吸积盘最终演变成了它的卫星。

事实上，木星的卫星的运动方式和八大行星绕太阳运动的方式如此之相似（都是在一个平面上绕中心运动），以至于是它们让早期天文学家初步了解我们的太阳系。作为地球上的观察者，我们在大的吸积盘平面上的视角使我们很难了解到行星运动的方式，但是，木星外部的这样一种运动状态让我们可以从外部观测，帮助我们了解这一运动系统。

行星总是在一个平面内运动

因此，那些“块状物”便使得我们正要讲下去的故事中加入了一些混乱。行星和卫星不只是简单的绕恒星旋转，它们也互相影响着对方。有些时候，这种影响会产生很酷的事情，如行星之间的撞击和大爆炸。现在解释我们月球如何形成的最著名的理论就是这种撞击。但是，这种互相的影响有时也会把小的物体抛入奇怪的吸积盘平面之外的轨道。对于天文学家来说，知道行星常被发现于同一平面使得他们的工作更轻松。从地球上看，黄道就像是一个其他行星都不会离开的薄薄的环带。

冥王星因其轨道接近于其他行星轨道平面且也在这个环带中，便成为了我们继发现谷神星后的第二颗矮行星。矮行星齐娜和它的卫星加布里埃尔的轨道因为距黄面太远了，所以直到2005年才被发现（毕竟天空是个很大的地方）。齐娜和加布里埃尔的官方名字分别叫阋神星和阋卫一（戴斯诺米娅），但我还是喜欢发现者最早取得名字。无论如何，我们知道了这些天体可以有怪异且不稳定的轨道，但这也意味着它们必须离太阳更远，否则就会不可避免的撞上其他天体，这也是为什么齐娜通常轨道半径都是冥王星的两倍。

从极面看冥王星轨道。此视角显示冥王星的轨道（红色）比海王星轨道（蓝色）离心率更高、冥王星有时比海王星更靠近太阳。深色部分表示该段轨道穿过黄道面进入黄道下方。

不是所有物质都能形成吸积盘的。想要形成吸积盘，物质之间必须要互相影响。气体和尘埃参与绝大多数这样的互相作用，然而一旦它们成型了，星体之间很少会有这样的作用了。举个例子，当大概四十亿年后仙女座星系和我们的银河系相撞时，恒星之间相撞的概率很小，因为在星系这样的尺度下，它们都太小也离得太远了。然而，那些两个星系中的巨型星云会撞向对方然后引起一阵新恒星合成。四十亿年后的天空一定是无比的绚烂。