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，這是個很好的問題，也是很出色的觀察！

當(dāng)我們遙望太陽系時，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。這些物體的共同點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。一個物體的萬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，萬有引力就越大。

對于固體來說，這個力被固體本身的強度所對抗。比如說，你受到的地心引力不會把你拉至地球中心，這是因為地面給了你一個向上的反作用力，這個力十分強大，使你不會沉入地底。

然而地球的強度是有限度的。想想一座大山，比如珠穆朗瑪峰，會因地球板塊的擠壓變得越來越高，重量也越來越大，直到它開始下陷。額外的重量會將山體拉向地幔，限制它能到達的高度。

如果地球完全由海洋構(gòu)成，珠穆朗瑪峰會一路沉至地球中心(排出它經(jīng)過的所有水)。任何水位異常高的地方都會被地心引力拉著下沉，水位異常低的地方會被從其他地方來的水給填滿，地球會變成完美的球體。

但事實是，引力不可思議地微弱。一個物體必須非常大才能施加足夠強的引力去對抗材料本身的強度。較小的固體 (直徑幾米或幾千米)的引力太微弱了，無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——你的身體太強大了，它產(chǎn)生的微小引力無法做到這一點。

達到流體靜力學(xué)平衡

當(dāng)一個物體大到其引力能夠克服其制造材料的強度時，該引力傾向于將物體拉成球形。這個物體上過高的部分會被拉下來，替代低處的材料并使其無法向外擴展。

當(dāng)球形形成了，我們稱這個物體達到了“流體靜力學(xué)平衡”。但是一個物體要多大才能達到流體靜力學(xué)平衡呢？這取決于它由什么組成。一個僅由液態(tài)水組成的物體就很容易達到，因為它基本上沒有強度——水分子的移動十分輕松。

與此同時，一個由純鐵構(gòu)成的物體需要有很大的體積使其引力克服鐵本身的強度。在太陽系中，要成為球體，一個由冰構(gòu)成的物體最小直徑為400千米——對于由強度更大的材料構(gòu)成的物體，這個值更大。

土星的衛(wèi)星土衛(wèi)一看起來像一顆死星，它是個直徑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球形。巨大的赫歇爾隕石坑讓土衛(wèi)一看起來像一個死星，這是在一次差點使土衛(wèi)一毀滅的撞擊中留下的。(圖源: 美國宇航局/噴氣推進實驗室-加州理工學(xué)院/空間科學(xué)研究所)

不斷地運動

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。如果一個物體在自旋，相比于極點附近的地點，它的赤道地區(qū)受到的引力會相對減小。

這一現(xiàn)象的結(jié)果就是，本應(yīng)在流體靜力學(xué)平衡后達到的完美球形會變成扁球形，物體的赤道直徑會比兩極間直徑更寬。對我們自旋中的地球來說就是這樣，它的赤道直徑12756千米，兩極間直徑為12712千米。

在太空中，一個物體自旋得越快，這個現(xiàn)象就越明顯。密度比水更小的土星，每十點五個小時就會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展示出這個星球有多癟!(圖源:美國宇航局/噴氣推進實驗室-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怪胎。它每九小時自旋一周，這個速度太快以至于它的赤道直徑比兩極間直徑長了25%!

簡要回答

越深入研究一個問題，學(xué)到的知識越多。簡要回答這個問題，大的天體呈球形(或近似球形)的原因是它們足夠大，以至于它們的萬有引力可以克服材料本身的強度。

BY: Jonti Horner

FY:Theodore0332

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