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为什么宇宙中的天体都是一个球体?

 星辰大海种花家 2019-11-11

球体是我们见到的天体的形状,无论太阳还是月亮,在天空中的形状都可以说是标准的球形,而且比较凑巧的是它们的视角几乎就是一致的,因此得以让我们看到了日全食!这带来很多额外的彩蛋,比如能看到太阳的日冕层,在1919年还验证了爱因斯坦的广义相对论(引力弯曲光线)。

当然你如果有一具小型望远镜的话,还能看到弯月一般的金星,也能看到战神火星,更能看到条纹状的木星,也能欣赏到太阳系最美的草帽土星,经过种花家“个人天文台”鉴定,天体确实都是球形的!

为什么都是球体?

这是一个值得思考的问题,为什么他们不是正方体?不是长方体,偏偏是球体!我们在溪流中能看到各种各样的鹅卵石,大都呈椭球体,这是因为各种各样的石头在水流的搬运下相互碰撞,消磨了棱角逐渐趋向圆滑,但很无奈的是原先的石头形状不规则,因此最后形成的是一个椭球体,但天体的球体跟这个无关!

流体静力平衡

理论上一个恒星类天体在只受到重力(指向质心)的影响下,它会在流体静力平衡下呈显一个完美的球形,但这可以解释一个等离子体组成的恒星,但能解释行星吗?当然也能,因为组成行星的物质强度是有限的,因此在大尺度上会呈现流体特性,超过一定规模的的天体(约500千米)的天体以后就会形成一个大致的球体!

因此我们在宇宙中可以用小型望远镜能看到的天体,都是这种大尺度的球体!

有不是球体的天体吗?

准确说宇宙中并没有一个天体是完美的球体,他们只是接近球体不同程度的天体而已,为什么会这样呢?因为这是有天体诞生过程所决定的!

无论是恒星还是行星,最早都来自于星云!而星云物质向中心坍缩时走的都是测地线,因此星云由此边旋转边坍缩,最后中心诞生的恒星继承了星云的旋转,这些恒星都是自转的,只不过速度不一样而!这就造成了一个非常有趣的结果:

  1. 恒星核聚变产生向外膨胀

  2. 引力产生的向内坍缩

  3. 恒星自转形成的“离心力”

前两者会影响恒星的大小,后者则会影响恒星球体的完美,比如太阳大约一个月左右自转一圈,因此它高达140万千米的球体上南北和赤道处的直径之相差10千米,误差大约是1/14万,我们在数控机床上加工一个完美球体,达到这个精度也是相当不容易的。

但织女星自转周期是12.5小时,因此它的赤道比两极大了约20%,这可是一个极端的案例,太阳系中自转最快的木星也自叹不如!木星的自转周期是9小时50分30秒,是不是还是木星自转速度更快?其实织女星直径是太阳的3.2倍,这个角动量收缩到木星的话,估计成陀螺了!

跟恒星的完美流体静力平衡不一样,行星的表面是固体岩石等,因此它的形状至少在表面看来是凹凸不平的,比如火星的奥林匹斯山有着太阳系最高的山著称,高达20千米,当然跟火星6794千米的直径来,这并不算什么,但足够说明从行星开始,天体的形状已经开始不规则了!

更不规则的矮行星和小行星,矮行星超过了流体静力平衡500千米直径的要求,因此呈现球体还是大概率的,但并不是过了这个界限就是球体,而是会有个过程。而小行星就更不规则了,啥样都有,比如小行星带的那颗著名的行星内核-灵神星!

灵神星上的两个陨石坑犹如两只眼睛

一种理论上极端的天体

苏格兰数学家麦克劳林曾经推导出一种奇怪的天体形状,即天体在超高速自转下形成一种甜甜圈形状的天体,为什么会形成环是因为自转的“离心力”,环为什么又会有直径是因为引力坍缩!比较有趣的是曾经有部分人认为地球是扁平的,但也有极个别认为地球是一个甜甜圈形状的,如下图:

不得不佩服他们的想象力,当然不知道他们有没有参考麦克劳林的模型,也许他们就搬运了那个思想,不过这地球甜甜圈这图PS得挺好,但如果地球真的能形成地环,那么我们也不可能生活在地环上,这个“离心力”将会让大家从地环上甩出去,而且地环也将分崩离析!

天体是一个球体是一种趋势,关键就是引力和热膨胀与“离心力”相互作用的结果,当然如果附近有天体的话也必须考虑潮汐力!比如天体的洛希极限附近时

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