球形或是不规则形?万有引力揭开天体形状之谜

本文最初发表于《对话》。该杂志向Space网站的“专家之声:特写与洞悉”专栏提供了本文。

“我不明白为什么恒星、行星和卫星都是球形,而其他大小的天体,比如彗星和陨石,形状是不规则的?”

当我们遥望太阳系时,我们可以看到不同形状的物体——从微小的灰尘微粒到巨大的行星和太阳。这些物体的共同点是大物体是球形而小物体是不规则状。但这是为什么呢?

按比例给出的太阳系的各种小天体。大物体是球形,但小物体是除球形以外的任意形状!

引力使大的物体变成球形。一个物体的万有引力总是指向它质量的中心。物体越大,它的质量就越大,万有引力就越大。

对于固体来说,这个力被固体本身的强度所对抗。比如说,你受到的地心引力不会把你拉至地球中心,这是因为地面给了你一个向上的反作用力,这个力十分强大,使你不会沉入地底。

然而地球的强度是有限度的。想想一座大山,比如珠穆朗玛峰,会因地球板块的挤压变得越来越高,重量也越来越大,直到它开始下陷。额外的重量会将山体拉向地幔,限制它能到达的高度。

如果地球完全由海洋构成,珠穆朗玛峰会一路沉至地球中心(排出它经过的所有水)。任何水位异常高的地方都会被地心引力拉着下沉,水位异常低的地方会被从其他地方来的水给填满,地球会变成完美的球体。

但事实是,引力不可思议地微弱。一个物体必须非常大才能施加足够强的引力去对抗材料本身的强度。较小的固体 (直径几米或几千米)的引力太微弱了,无法把这些固体变成球形。

这就是为什么你不用担心在自己的引力下坍塌成球形——你的身体太强大了,它产生的微小引力无法做到这一点。

当一个物体大到其引力能够克服其制造材料的强度时,该引力倾向于将物体拉成球形。这个物体上过高的部分会被拉下来,替代低处的材料并使其无法向外扩展。

当球形形成了,我们称这个物体达到了“流体静力学平衡”。但是一个物体要多大才能达到流体静力学平衡呢?这取决于它由什么组成。一个仅由液态水组成的物体就很容易达到,因为它基本上没有强度——水分子的移动十分轻松。

与此同时,一个由纯铁构成的物体需要有很大的体积使其引力克服铁本身的强度。在太阳系中,要成为球体,一个由冰构成的物体最小直径为400千米——对于由强度更大的材料构成的物体,这个值更大。

土星的卫星土卫一看起来像一颗死星,它是个直径396千米的球体,是目前已知的比较符合以上标准的最小物体。

就像在从卡西尼飞船中拍摄的,土卫一的大小刚好够它的引力将它拉成一个球形。巨大的赫歇尔陨石坑让土卫一看起来像一个死星,这是在一次差点使土卫一毁灭的撞击中留下的。(图源: 美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院/空间科学研究所)

当考虑到太空中的所有物体都在自旋或翻转,事情就变得更加复杂了。如果一个物体在自旋,相比于极点附近的地点,它的赤道地区受到的引力会相对减小。

这一现象的结果就是,本应在流体静力学平衡后达到的完美球形会变成扁球形,物体的赤道直径会比两极间直径更宽。对我们自旋中的地球来说就是这样,它的赤道直径12756千米,两极间直径为12712千米。

在太空中,一个物体自旋得越快,这个现象就越明显。密度比水更小的土星,每十点五个小时就会沿着其轴线自旋一周。因此,它的球形没有地球的明显。

土星的赤道直径刚好在120500千米之上,然而它的两极间直径刚刚超过108600千米。两者几乎相差12000千米!

卡西尼飞船在2017年9月拍摄的木星及其卫星的宽视野图片确实展示出这个星球有多瘪!(图源:美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院/空间科学研究所)

一些行星更加极端。出现在澳大利亚冬季北方天空中的亮星牛郎星就是这样一个怪胎。它每九小时自旋一周,这个速度太快以至于它的赤道直径比两极间直径长了25%!

越深入研究一个问题,学到的知识越多。简要回答这个问题,大的天体呈球形(或近似球形)的原因是它们足够大,以至于它们的万有引力可以克服材料本身的强度。

本文最初发表于《对话》。该杂志向Space网站的“专家之声:特写与洞悉”专栏提供了本文。 “我不明白为什么恒星…

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