為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

物理學家:“吸積”也許是最簡短的答案。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

圖解:吸積,使物質在數十億年裡變得扁平。

吸積是指物質因為受到重力從塵埃星雲、氣體星雲,或是(通常是)塵埃氣體星雲上坍塌下來的過程。在思考氣體星雲的內部撞擊之前,不如先想想兩團塵埃相撞會發生什麼。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

圖解:很多碰撞都是非彈性的,它們會損失能量,粒子軌跡會被“中和”一點點。極端情況是,它們會粘在一起。

在完美彈性碰撞中,相撞物體會沿著與來時差不多的角度反彈。大多數碰撞是非彈性碰撞,意味著它們會損失能量,而且它們軌跡之間的夾角也會在碰撞後減小。在極端非彈性碰撞中,粒子會粘在一起。這種情況在微小顆粒中很常見。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

圖解:食鹽在零重力下會因為靜電力自然凝結。(點擊圖片觀看視頻)

久而久之,這些撞擊會釋放能量(以熱和光的形式)。這種能量損失導致星雲物理性收縮,因為失去能量會讓其中的塵埃和氣體顆粒放慢運動速度(軌道就會越來越低)。但這些撞擊也“平均”了它們的軌跡。所以,一個鬆軟的大星雲內部的每粒塵埃和氣體原本運行在四面八方的軌道上,但在吸積過程中,它們最終會平均穩定到同一個旋轉平面上。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

每個氣體原子和每粒塵埃都在各自的環形軌道上運動,牽引它們的重力來自各粒氣體塵埃的協同作用(重力並非源自一處)。雖然它們各自的路徑都很隨機,但總會有個整體旋轉的大方向。人們的想法是,太空中的任何星雲的起始都多多少少牽涉到旋轉。這不難理解;往杯子裡倒咖啡時,總會有些顆粒在旋轉。咖啡杯裡的湍流現象自然地以各種規模出現在宇宙裡(但通常都是宇宙級規模)。所以,一般而言,任何星雲都會有個旋轉方向。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

星雲內部的物體會繼續撞擊彼此直至它們完成以下三點的任意一點:1)逸出,2)掉入中心,3)隨波逐流。星雲的大部分成分最後會停留在它的中心。例如,太陽以一己之力組成了太陽系99.86%的物質。那些停止撞擊並隨波逐流的成分構成星雲的環。任何不在環平面上的物體軌道一定會穿越環平面,這意味著它會繼續撞擊並失去能量。最後,這些“軌道不對”的物體要麼像其他物體那樣在星雲環軌道上運行,要麼失去動能掉落到下方的行星或恆星上。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

這些星雲環本身都很奇妙。它們內部必定有較高密度的“腫塊”吸引周圍物質。最後這些腫塊會在一個大吸積盤裡變成無數小吸積盤。太陽系這個大吸積盤內部的所有行星形成了“黃道面”。其中有個腫塊變成了木星,它的一組衛星也是在環繞木星的吸積盤裡形成的。其實,因為木星衛星的分佈與太陽系剩餘部分(都在相同平面運行)很相似,所以早期天文學家藉助它們理解了整個太陽系。因為立足於其中一個移動的行星(地球)表面很難看明白太陽系行星們的運動,有了木星這樣的直觀範例就好多了。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

圖解:行星們通常都位於 “黃道”這個平面。由於地球也在這個平面內,所以天上的黃道看起來是一根帶子,太陽和所有行星都在這根帶子裡。類似地,木星的衛星們也都位於木星平面。

話雖如此,這些腫塊也會添亂。行星和衛星們不僅圍著太陽轉,它們之間也會互相影響。有時這會導致行星撞擊和大爆炸等嚴重後果。月亮的主要形成理論之一就是一次這樣的撞擊。但是這種相互作用有時會把較小物體彈向偏離平面的奇怪軌道。因為知道易於在同一個平面內發現行星,天文學家的工作輕鬆了很多。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

從地球看去,其他行星都沒偏離細細的黃道帶。冥王星是第二顆被發現的矮行星(第一課是穀神星),因為它的運行軌道緊鄰所有其他行星的軌道面,而且也位於黃道帶中。矮行星齊娜和它的衛星加百列在遠離黃道的軌道上運行,這也是它們直到2005年才被發現的主要原因(畢竟太空太大)。齊娜和加百列的官方名字分別是鬩神星和鬩衛一,但我支持發現者給它們起的名字,因為都很好聽。

為什麼很多星系、太陽系、土星環都是扁的呢?

所以雖然物體確實可以在奇怪的軌道上運行,但要小心避讓不可避免會在那碰到的一些垃圾。齊娜通常是冥王星的兩倍遠,冥王星本身就是那邊的被避讓對象。

並非所有物質都會形成吸積盤。相關物質要相互作用才能形成吸積盤。氣體和塵埃很會相互作用。而一旦形成了吸積盤,恆星們幾乎不會互相作用。例如,當(不是如果)仙女座和銀河系互相撞擊時,真的不太可能有任何恆星發生對撞(它們太小了,而且相隔很遠)。然而,不同的大型氣體星雲每次都會相撞並引發一連串新恆星的形成。四十億年後,天空會變得異常絢麗多姿。

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. The Physicist- askamathematician- Cornucopia

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