跟胖哥學物理 為什麼星系多呈扁平的

宇宙中星系是眾多的,我們知道的銀河系已經足夠大了,但是比它大星系還是有。1925年,大名鼎鼎的哈勃拿出強有力的觀測證據,證實了仙女座星雲不僅是一個獨立的河外星系,而且比銀河系大多了。現在我們知道仙女座星系,直徑達20萬光年,是本星系群裡的老大,銀河系只能排行老二。

當下天體物理學界認為星系主要分成三類:橢圓星系、螺旋星系和不規則星系。在這三種星系中雖然形成原因不盡相同,但是幾乎都是扁平的。最根本的原因是因為引力和離心力的共同作用,令旋轉物體變扁,準確的講,這叫星系的共面性。那麼這是為什麼呢?為啥不能是分佈在一個球狀上,而是一個圓盤呢?主要原因是萬有引力和太陽自傳向心力共同作用結果。

既然提問者談到了太陽系,我們就以他為例來說說為什麼呈扁平的。太陽系的八大行星的公轉軌道基本在同一個平面上(太陽最近的水星軌道有細微偏離)。為什麼,其實問題根源在於運動穩定性。太陽系中八顆行星之所以在同一個平面,是因為它們分別處於這兩種形狀下運轉時最為穩定。

我們知道,物體間永遠都存在著一個力萬有引力,它跟質量的大小成正比、與距離的平方成反比!假如太陽只有一個行星的話,是沒有這種顧慮的,因為兩顆星球一定是在同一個圓上的,但是假如有兩顆以上呢?

若是隻有一顆行星,那麼公轉平面自然只有一個。若是有兩顆行星,設定兩顆行星轉動慣量相近,兩顆行星的轉動半徑並不十分相近。假如不在同一個平面的話,其中某顆星球收到的合力就不在一個平面上,在多出來的這個分力的作用下,就會把它拉到這個平面上來。即這個恆星系最穩定的情形一定是三點一線,只有這種情形下,這顆星球才不會被“扯來扯去”。假如星球更多的話,就更是需要在接近一個平面上才行,不然互相干擾太嚴重。有個假設就是一開始是球狀分佈的,但是由於太亂,有些星球被太陽甩出去了,其他的都回到這個平面了,這樣才穩定了下來。

由於太陽有自轉,假如行星的軌道不在太陽的自轉平面附近,那麼由於太陽的引力作用,會把行星扯回這個平面來,只有這樣才是符合力學規律的,引力才幾乎都拿去提供向心力了!也許你要問了?那地球附近的那些極地衛星為啥不會被扯回赤道面呢?這其實是可以解釋的,因為這些極地衛星每過一段時間就要利用自身帶的動力系統調整一次姿勢,以防止被拉回赤道面。也就是說,這是有外力來維持的,所以才會有極地衛星!

我們再來看銀河系裡,而太陽系外緣的柯伊博帶的矮行星軌道會有較大的平面偏離,更遠的奧爾特雲會有更大的偏離角度;銀河系的外緣被俘獲的小星系軌道也會有平面偏離,還有銀河系核心附近的軌道也會有較大偏角。

而銀河系本身也是是以點為中心自轉的體系,如果是以軸為中心,那麼由於萬有引力的作用軸向上也會向內收縮,所以由於萬有引力的作用銀河系的自轉的體系是扁的。宇宙是球形的,因為所有星系都是從宇宙中心運動向宇宙邊緣的,然而銀河系和太陽系都是一群天體繞著一個大質量的天體旋轉的。

在宇宙中高速運行具有星系核的星系,當它追及到另一個具有星系核的星系時,如果兩者的運行速度相近,就會相互吞噬,形成了一個更大的星系。倘若這兩個星系的星系核相遇,就會相互繞轉而形成一個質量更大的高速旋轉的星系核。這個高速旋轉的星系核就像一個巨大的發電機,從它的兩極爆發出能量強大的粒子流向遠方噴射。星系核的能量越大,噴射粒子流的流量也就越大,噴射得也就越遙遠。

我們把這樣的星系核稱作兩極噴流星系核。星系核在噴射高能粒子流的時候,會消耗其自身的能量,然而,當它俘獲了其它星團或者星系以後,就會增添能量。當星系核的能量發生由大到小的變化時,就會建造出兩條粗大的噴流帶。如果星系核的磁軸繞著另一條軸(這條軸稱作星系核的自轉軸)旋轉,那麼,噴流帶的軌跡就會彎曲,而演變成旋渦星系的兩條旋臂。一般的,星系核的磁軸與自轉軸之間的夾角(0~π/2)越大,所建造的星系盤面就會越扁;否則就會越厚。星系核的磁軸繞著自轉軸的旋轉速度越快,旋臂纏卷得就會越緊;否則,就會越松。旋渦星系的兩條旋臂是恆星誕生的活躍區域。

不止銀河系是“扁的”其它星系基本也都是,原因是星系中心存在超大質量黑洞,整個星系中的所有天體都會圍繞它轉動,它本身應該也是在自轉的。想下太陽系的情況,大至上也是扁的,道理上是一樣的,圍繞中心轉的天體大都會分佈在與中心天體自轉軸垂直的“平面”上。雖然不是每個星系都是扁的,有些星系是橢圓形的,但是每個星系都在向扁平發展,因為扁平狀對星系是最穩定的。

囉嗦這麼多,由於筆者習慣用手機回答問題,在手機上不太容易畫圖,所以文字回答不是很通俗。但是總體來講,星系之所以是扁平,主要是所受力和穩定性造成的。但是,有沒有特殊形狀的星系還沒發現,目前被天文學劃分三類星系幾乎都有共面性,形狀都是扁平!

2018年12月19日於宜昌夷陵吾同齋


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