【原】是不是宇宙中所有的系星都是平坦的？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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問(wèn)：為什么很多星系（包括我們的太陽(yáng)系）和土星的環(huán)是平坦的？

答：物理學(xué)家到目前為止給出的最簡(jiǎn)短的答案是——“吸積”。

黑洞吸積

吸積：在幾十億年內(nèi)使天體變得平坦

吸積是指物質(zhì)在引力作用下從塵云或氣體云或（通常情況下）兩者皆有的云團(tuán)坍縮的過(guò)程。在思考一片龐大的氣體云在由外向內(nèi)碰撞和坍縮時(shí)會(huì)發(fā)生什么之前，我們有必要探討一下兩大團(tuán)塵云撞向?qū)Ψ綍r(shí)會(huì)發(fā)生什么。

彈性碰撞（上）與非彈性碰撞（下）

在一個(gè)完美的彈性碰撞中，物體彈開(kāi)的角度會(huì)和它們碰撞時(shí)的角度一樣。然而大多數(shù)碰撞都是非彈性的，這意味著碰撞的物體會(huì)在這個(gè)過(guò)程中損失能量，且物體運(yùn)動(dòng)軌跡間的夾角也會(huì)在碰撞后變小。在最極端的非彈性碰撞中，碰撞的物體甚至?xí)尺B在一起；對(duì)于微小粒子間的碰撞，這種情況會(huì)比我們所想象的更容易發(fā)生。

鹽在零重力時(shí)因?yàn)殪o電力自發(fā)的粘連在一起

隨著時(shí)間，碰撞會(huì)以散熱或發(fā)光的形式釋放能量。因?yàn)閾p失能量意味著那些微小的塵埃顆粒和氣體分子的運(yùn)動(dòng)會(huì)逐漸變慢（而這意味著它們會(huì)掉到越來(lái)越低的軌道上去），這些能量上的損失使得云團(tuán)會(huì)在形態(tài)上收縮。但是碰撞也會(huì)使云團(tuán)中的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡趨向一致。因此，一個(gè)“漲大蓬松”的云團(tuán)中的塵埃氣體分子本來(lái)可能在向各個(gè)任意方向運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)過(guò)吸積作用后，它們最終會(huì)演變成一個(gè)同一的旋轉(zhuǎn)的平面。

每一個(gè)氣體分子和塵埃顆粒都因?yàn)槠渌肿雍皖w粒的共同的引力作用（引力在這里不是某一個(gè)特定的點(diǎn)產(chǎn)生的，而是所有云團(tuán)中物質(zhì)的引力的合力）而沿著它們自己的旋轉(zhuǎn)軌道運(yùn)動(dòng)。盡管每一個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)的路線是非常隨機(jī)的，云團(tuán)在沿某個(gè)方向總會(huì)有一個(gè)凈旋轉(zhuǎn)。這種說(shuō)法的依據(jù)是，星際中的任何一個(gè)云團(tuán)在誕生時(shí)會(huì)或多或好帶有一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。這很好理解：當(dāng)我們往杯里倒咖啡時(shí)，最起碼會(huì)有很小一部分咖啡在杯子里轉(zhuǎn)動(dòng)。在宇宙中，同樣的渦流也會(huì)自然的出現(xiàn)在所有比咖啡杯更大的尺度中。因此，總體來(lái)看，任何宇宙中的云團(tuán)都會(huì)沿某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

星系UGC 12158的照片。這是被認(rèn)為是在外觀上最類(lèi)似于銀河系的星系。

云團(tuán)中的物質(zhì)會(huì)一直互相發(fā)生碰撞直到它的每一部分都經(jīng)歷了以下三種過(guò)程之一：1.逃逸，2.掉向中心，3.隨著云團(tuán)內(nèi)顆粒流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。云團(tuán)的大部分物質(zhì)最終都會(huì)到中心。我們的太陽(yáng)系就是一個(gè)很好的例子，在我們太陽(yáng)系中心，太陽(yáng)占據(jù)了99.86%的總質(zhì)量。而那些停止碰撞隨流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)組成了外面的環(huán)。

任何不在這個(gè)環(huán)平面上的物質(zhì)的軌道勢(shì)必會(huì)穿過(guò)這個(gè)環(huán)面，這就意味著碰撞會(huì)繼續(xù)發(fā)生，能量會(huì)繼續(xù)損失。最終，那些軌道不在環(huán)上的物質(zhì)要么會(huì)和環(huán)上的物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入環(huán)軌道，要么就會(huì)因?yàn)槭ミ^(guò)多的動(dòng)能而墜落到環(huán)所繞的行星或恒星。事實(shí)上，在我們的太陽(yáng)系中，仍有很多不受吸積影響的“太空流浪者”（小行星）在等待著“加入”（撞擊）行星。

那些環(huán)本身其實(shí)就很令人興奮。在環(huán)的內(nèi)部，有一些因?yàn)楦叩拿芏榷鴧^(qū)別于周?chē)镔|(zhì)的塊狀團(tuán)狀物會(huì)吸引周?chē)镔|(zhì)。最終，這些“團(tuán)塊”會(huì)在大的吸積盤(pán)中形成小的吸積盤(pán)。我們太陽(yáng)系的黃道面作為一個(gè)大的吸積盤(pán)中又形成了小的吸積盤(pán)而最終演變成了我們現(xiàn)在熟知的八大行星。木星作為其中的一個(gè)小吸積盤(pán)，它的吸積盤(pán)上又形成了更小的吸積盤(pán)最終演變成了它的衛(wèi)星。

事實(shí)上，木星的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方式和八大行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的方式如此之相似（都是在一個(gè)平面上繞中心運(yùn)動(dòng)），以至于是它們讓早期天文學(xué)家初步了解我們的太陽(yáng)系。作為地球上的觀察者，我們?cè)诖蟮奈e盤(pán)平面上的視角使我們很難了解到行星運(yùn)動(dòng)的方式，但是，木星外部的這樣一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)讓我們可以從外部觀測(cè)，幫助我們了解這一運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

行星總是在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)

因此，那些“塊狀物”便使得我們正要講下去的故事中加入了一些混亂。行星和衛(wèi)星不只是簡(jiǎn)單的繞恒星旋轉(zhuǎn)，它們也互相影響著對(duì)方。有些時(shí)候，這種影響會(huì)產(chǎn)生很酷的事情，如行星之間的撞擊和大爆炸?，F(xiàn)在解釋我們?cè)虑蛉绾涡纬傻淖钪睦碚摼褪沁@種撞擊。但是，這種互相的影響有時(shí)也會(huì)把小的物體拋入奇怪的吸積盤(pán)平面之外的軌道。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，知道行星常被發(fā)現(xiàn)于同一平面使得他們的工作更輕松。從地球上看，黃道就像是一個(gè)其他行星都不會(huì)離開(kāi)的薄薄的環(huán)帶。

冥王星因其軌道接近于其他行星軌道平面且也在這個(gè)環(huán)帶中，便成為了我們繼發(fā)現(xiàn)谷神星后的第二顆矮行星。矮行星齊娜和它的衛(wèi)星加布里埃爾的軌道因?yàn)榫帱S面太遠(yuǎn)了，所以直到2005年才被發(fā)現(xiàn)（畢竟天空是個(gè)很大的地方）。齊娜和加布里埃爾的官方名字分別叫鬩神星和鬩衛(wèi)一（戴斯諾米婭），但我還是喜歡發(fā)現(xiàn)者最早取得名字。無(wú)論如何，我們知道了這些天體可以有怪異且不穩(wěn)定的軌道，但這也意味著它們必須離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，否則就會(huì)不可避免的撞上其他天體，這也是為什么齊娜通常軌道半徑都是冥王星的兩倍。

從極面看冥王星軌道。此視角顯示冥王星的軌道（紅色）比海王星軌道（藍(lán)色）離心率更高、冥王星有時(shí)比海王星更靠近太陽(yáng)。深色部分表示該段軌道穿過(guò)黃道面進(jìn)入黃道下方。

不是所有物質(zhì)都能形成吸積盤(pán)的。想要形成吸積盤(pán)，物質(zhì)之間必須要互相影響。氣體和塵埃參與絕大多數(shù)這樣的互相作用，然而一旦它們成型了，星體之間很少會(huì)有這樣的作用了。舉個(gè)例子，當(dāng)大概四十億年后仙女座星系和我們的銀河系相撞時(shí)，恒星之間相撞的概率很小，因?yàn)樵谛窍颠@樣的尺度下，它們都太小也離得太遠(yuǎn)了。然而，那些兩個(gè)星系中的巨型星云會(huì)撞向?qū)Ψ饺缓笠鹨魂囆潞阈呛铣?。四十億年后的天空一定是無(wú)比的絢爛。