宇宙中的星球为什么都是圆的,是什么塑造了它们?(宇宙中的星球大小对比)

无论是由岩石构成的固态行星,还是由气体组成的巨型气态行星,甚至那燃烧了数十亿年的恒星太阳,它们似乎都遵循着同一个“出厂设置”:呈现出圆形球状体。

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这不禁让人产生深深的疑惑:在这个浩瀚无垠、充满混乱与爆炸的宇宙中,为什么“圆”成为了主流?

难道宇宙天体都被某种神秘的几何强迫症所掌控?

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要解开星球变圆的秘密,我们必须将时钟拨回1687年,这一年伟大的英国物理学家艾萨克·牛顿发表了划时代的巨著《自然哲学的数学原理》。在这本书中,他提出了著名的万有引力定律。

牛顿指出,宇宙中任何两个物体之间都存在相互吸引的力,这种力被称为引力,引力的强度并非随机,它取决于两个核心因素:物体的质量和它们之间的距离,质量越大,引力越强;距离越近,引力越大。

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这个定律揭示了星球成型的关键机制:各向同性。

对于一个像地球这样拥有巨大质量的天体来说,其引力并不是指向某个特定的侧面,而是指向质心,引力就像是一个全方位的收缩网,从四面八方将物质向中心拉扯。

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想象一下,如果地球是一团悬浮在太空中的巨大水珠,由于表面张力的作用,水珠会自动收缩成表面积最小的形状:球形。虽然星球是岩石和金属构成的,但在宏观尺度和漫长的时间里,在引力的作用下,岩石也表现得像“流体”一样。引力会从所有方向上,均匀地将高出的山峰拉平,将低洼的深谷填满,力求让所有物质都尽可能地靠近中心。

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这种向内均匀挤压的力量,最终导致了球形的诞生,在几何学中,球体是唯一一个表面上所有点到中心距离都相等的形状,这也是引力作用下的必然平衡状态:流体静力平衡。

以我们的地球为例,它的“变圆”之旅始于约46亿年前。

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那时的太阳系还是一片混沌的星云,充满了气体、尘埃和岩石碎片,在引力的作用下,物质开始聚集,起初只是微小的尘埃颗粒相互吸附,随后滚雪球般越变越大,形成了“星子”,随着原行星的质量不断增加,引力也随之暴涨。当质量达到一定程度时,剧烈的撞击和放射性元素的衰变产生了巨大的热量,让年轻的地球变成了一个熔融状态的炽热火球。

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这是一个关键时刻,因为地球“化”了,它变成了液态的岩浆海洋,在液态下,物质的流动性极强。引力便可以毫无阻碍地发挥它的“雕塑”技艺:它无情地将所有凸起的物质拉向地心,将原本不规则的形状迅速抹平。

随着时间的推移,地球逐渐冷却,表面凝固成坚硬的地壳,虽然今天地球表面有珠穆朗玛峰的耸立和马里亚纳海沟的深陷,但在地球12742公里的直径面前,这些起伏就像是篮球表面极其微小的褶皱,从太空视角看地球依然是一个近乎完美的球体。

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虽然引力致力于打造完美的球体,但宇宙中还有另一股力量在与它博弈,那就是自转,宇宙中的天体几乎都在旋转,旋转会产生离心力,这股力量试图将物质从中心甩出去,且赤道部位的离心力最大。

因此严格来说,地球并不是一个标准的正球体,而是一个赤道略鼓、两极略扁的“椭球体”,引力想把地球拉成圆的,而离心力想把地球甩成扁的。这两股力量妥协的结果,就是地球现在的样子。

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这种现象在自转速度极快或物质结构松散的天体上更为明显,例如太阳系中的土星,它由气体组成且自转极快,这导致土星真的像一个被压扁的橘子,肉眼可见地“胖”了一圈。

既然引力如此强大,为什么宇宙中还有那么多形状怪异的天体?

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这就涉及到了引力“雕塑”的门槛。要将坚硬的岩石压碎、重塑成球形,需要极其巨大的压力。对于那些体积小、质量轻的天体,如小行星、彗星,它们自身的引力太过微弱,无法克服岩石内部的化学键力,即岩石的结构强度。

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简单来说,小行星的引力太小,捏不动自己那坚硬的“骨头”,科学家通过计算和观测发现,这个“变圆”的临界点,大约是直径500公里,直径小于500公里的天体,引力不足以改变岩石的形状,所以它们保留了诞生时碰撞、聚合的原始模样,呈现出不规则的哑铃状、土豆状或长条状。

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直径大于500公里的天体,引力终于战胜了岩石的硬度,物质发生坍缩和重组,最终在自身引力下达到流体静力平衡,变成球形。

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这也是国际天文学联合会(IAU)定义“行星”和“矮行星”的重要标准之一:必须拥有足够的质量,能通过自身引力克服刚体力,使其形状呈圆球状。

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