我一直好奇：為什么恒星、行星和衛(wèi)星都是球形，而彗星和小行星不是?
行星、彗星呈圓形
(圖源:一家商業(yè)攝影,影視素材和音樂素材供應(yīng)商)
本文最初發(fā)表于《對(duì)話》。該雜志向Space網(wǎng)站的“專家之聲:特寫與洞悉”專欄提供了本文。
瓊蒂·霍納，南昆士蘭大學(xué)天體物理學(xué)教授
“我不明白為什么恒星、行星和衛(wèi)星都是球形，而其他大小的天體，比如彗星和隕石，形狀是不規(guī)則的?”
——萊昂納爾·楊，74歲，塔斯馬尼亞州，朗塞斯頓市
萊昂奈爾，這是個(gè)很好的問題，也是很出色的觀察！
當(dāng)我們遙望太陽(yáng)系時(shí)，我們可以看到不同形狀的物體——從微小的灰塵微粒到巨大的行星和太陽(yáng)。這些物體的共同點(diǎn)是大物體是球形而小物體是不規(guī)則狀。但這是為什么呢？
按比例給出的太陽(yáng)系的各種小天體。大物體是球形，但小物體是除球形以外的任意形狀!
引力:讓大物體變成球形的關(guān)鍵……
引力使大的物體變成球形。一個(gè)物體的萬(wàn)有引力總是指向它質(zhì)量的中心。物體越大，它的質(zhì)量就越大，萬(wàn)有引力就越大。
對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，這個(gè)力被固體本身的強(qiáng)度所對(duì)抗。比如說(shuō)，你受到的地心引力不會(huì)把你拉至地球中心，這是因?yàn)榈孛娼o了你一個(gè)向上的反作用力，這個(gè)力十分強(qiáng)大，使你不會(huì)沉入地底。
然而地球的強(qiáng)度是有限度的。想想一座大山，比如珠穆朗瑪峰，會(huì)因地球板塊的擠壓變得越來(lái)越高，重量也越來(lái)越大，直到它開始下陷。額外的重量會(huì)將山體拉向地幔，限制它能到達(dá)的高度。
如果地球完全由海洋構(gòu)成，珠穆朗瑪峰會(huì)一路沉至地球中心(排出它經(jīng)過(guò)的所有水)。任何水位異常高的地方都會(huì)被地心引力拉著下沉，水位異常低的地方會(huì)被從其他地方來(lái)的水給填滿，地球會(huì)變成完美的球體。
但事實(shí)是，引力不可思議地微弱。一個(gè)物體必須非常大才能施加足夠強(qiáng)的引力去對(duì)抗材料本身的強(qiáng)度。較小的固體 (直徑幾米或幾千米)的引力太微弱了，無(wú)法把這些固體變成球形。
這就是為什么你不用擔(dān)心在自己的引力下坍塌成球形——你的身體太強(qiáng)大了，它產(chǎn)生的微小引力無(wú)法做到這一點(diǎn)。
達(dá)到流體靜力學(xué)平衡
當(dāng)一個(gè)物體大到其引力能夠克服其制造材料的強(qiáng)度時(shí)，該引力傾向于將物體拉成球形。這個(gè)物體上過(guò)高的部分會(huì)被拉下來(lái)，替代低處的材料并使其無(wú)法向外擴(kuò)展。
當(dāng)球形形成了，我們稱這個(gè)物體達(dá)到了“流體靜力學(xué)平衡”。但是一個(gè)物體要多大才能達(dá)到流體靜力學(xué)平衡呢？這取決于它由什么組成。一個(gè)僅由液態(tài)水組成的物體就很容易達(dá)到，因?yàn)樗旧蠜]有強(qiáng)度——水分子的移動(dòng)十分輕松。
與此同時(shí)，一個(gè)由純鐵構(gòu)成的物體需要有很大的體積使其引力克服鐵本身的強(qiáng)度。在太陽(yáng)系中，要成為球體，一個(gè)由冰構(gòu)成的物體最小直徑為400千米——對(duì)于由強(qiáng)度更大的材料構(gòu)成的物體，這個(gè)值更大。
土星的衛(wèi)星土衛(wèi)一看起來(lái)像一顆死星，它是個(gè)直徑396千米的球體，是目前已知的比較符合以上標(biāo)準(zhǔn)的最小物體。
就像在從卡西尼飛船中拍攝的，土衛(wèi)一的大小剛好夠它的引力將它拉成一個(gè)球形。巨大的赫歇爾隕石坑讓土衛(wèi)一看起來(lái)像一個(gè)死星，這是在一次差點(diǎn)使土衛(wèi)一毀滅的撞擊中留下的。(圖源: 美國(guó)宇航局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工學(xué)院/空間科學(xué)研究所)
不斷地運(yùn)動(dòng)
當(dāng)考慮到太空中的所有物體都在自旋或翻轉(zhuǎn)，事情就變得更加復(fù)雜了。如果一個(gè)物體在自旋，相比于極點(diǎn)附近的地點(diǎn)，它的赤道地區(qū)受到的引力會(huì)相對(duì)減小。
這一現(xiàn)象的結(jié)果就是，本應(yīng)在流體靜力學(xué)平衡后達(dá)到的完美球形會(huì)變成扁球形，物體的赤道直徑會(huì)比兩極間直徑更寬。對(duì)我們自旋中的地球來(lái)說(shuō)就是這樣，它的赤道直徑12756千米，兩極間直徑為12712千米。
在太空中，一個(gè)物體自旋得越快，這個(gè)現(xiàn)象就越明顯。密度比水更小的土星，每十點(diǎn)五個(gè)小時(shí)就會(huì)沿著其軸線自旋一周。因此，它的球形沒有地球的明顯。
土星的赤道直徑剛好在120500千米之上，然而它的兩極間直徑剛剛超過(guò)108600千米。兩者幾乎相差12000千米!
卡西尼飛船在2017年9月拍攝的木星及其衛(wèi)星的寬視野圖片確實(shí)展示出這個(gè)星球有多癟!(圖源:美國(guó)宇航局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工學(xué)院/空間科學(xué)研究所)
一些行星更加極端。出現(xiàn)在澳大利亞冬季北方天空中的亮星牛郎星就是這樣一個(gè)怪胎。它每九小時(shí)自旋一周，這個(gè)速度太快以至于它的赤道直徑比兩極間直徑長(zhǎng)了25%!
簡(jiǎn)要回答
越深入研究一個(gè)問題，學(xué)到的知識(shí)越多。簡(jiǎn)要回答這個(gè)問題，大的天體呈球形(或近似球形)的原因是它們足夠大，以至于它們的萬(wàn)有引力可以克服材料本身的強(qiáng)度。
BY: Jonti Horner
FY:Theodore0332
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