在这张由哈勃拍摄的土星照片中,你可以看到环状行星中部的凸起。NASA/ESA/STSCI/莱斯特大学
我们认为这是理所当然的事情:玫瑰是红色的,行星是球形的。这就是事物本身存在的方式,对吧?如果我们建造太阳系模型时不使用小泡沫球,而是要制造一堆二十面体的球状行星模型,这会更具挑战性。
但是你有没有好奇过为什么行星看起来都是这样呢?为什么它们基本上都是球体,而不是圆柱体或立方体?
实事求是的说,在我们的太阳系中,并没有一颗行星是真正完美的球体,甚至就连我们的太阳也不完美。所有星体都可以更准确被地描述为“扁球体”。这种形状的物体在中间略微凸起,借用天文学家菲尔·普莱特(PhilPlait)的一个比喻,它们看起来就像是一个被人坐着的篮球。
更确切地说,扁球状天体的极周长小于赤道周长。所以在地球上,如果你要从北极前往南极并返回,那么你总共行走了公里,而赤道之旅的完整路途会更长远一些。那是因为地球赤道的周长是公里。因此,当你站在赤道的海平面上时,你离地球中心的距离比你站在任何一个极点都要远。
在其它的一些行星上,这个凸起甚至更加明显。就比如说木星,地球赤道截面的宽度仅仅比两级截面宽了0.3%。但是木星的测量结果则显示了更大的差距。实际上,天文学家已经发现,这个超大号的行星在其赤道上的宽度比在两极之间的宽度整整宽了7%。
扁球体的形状主要是由两个因素作用的结果:重力和旋转。华盛顿州Goldendale天文台主任特洛伊卡彭特最近通过电子邮件与我们讨论了此事:“所有自身引力巨大的物体,其自身重力都会试图从各个方向向内挤压物体,”卡彭特解释道。
那是因为所有物体都具有自引力,这是一种将原子拉向共同中心的力。随着物体质量增加,向内的自重引力也会增加。当它超过一定质量之后,过大的自引力会超过临界点并使物体向内坍塌,直至变成球形的程度。小的物品,比如香蕉或扳手,可以逃脱这种命运,因为它们的自引力相对较弱,允许它们保留非球形的形状。然而,在行星、太阳和其它真正巨大的天体中,这种力是如此强大,以至于它们无从避免于被压缩成球状体。
卡彭特说:“但重力不是全部,”当引力使行星呈球体时,它们的旋转速度同时试图使它们变得更平整。一个天体旋转得越快,其赤道隆起的比例就越大。“这就是为什么我们的太阳系没有完美的球体……只有扁球体,”卡彭特告诉我们:“太阳几乎是一个完美的球体,因为其巨大的引力,和相对较慢的25天的自转速度。天空中相当大比例的恒星旋转得比太阳更快,并且在赤道处的膨胀更显著。”
像图中的牵牛星一样,恒星的腹部也会凸出。
美国宇航局/喷气推进实验室/加州理工学院/史蒂夫·金
牵牛星,距离我们的地球仅有16.8光年,它是夜空中最亮的天体之一。牵牛星的自转速度也非常非常快,仅10.4地球小时就能在其自转轴上完成一次完整的自转。因此天文学家估计,牵牛星的赤道宽度至少会比两极之间的宽度大14%。转速也解释了木星中部的隆起。毕竟这个巨大的气态行星的一天只有9.9个地球小时。
其它的一些力量也会作用于恒星和行星,从而改变它们的形状。虽然地球是一个扁球体,但它肯定不是一个完美的球体,太阳和月亮的引力都会在一定程度上影响它的形状。且就这个问题来说,地球自身的板块构造也是影响因素之一。因此,我们的地球质量不仅分布不均匀,还相当的凹凸不平。
尽管如此,我们的地球还是比木星(和土星)圆得多。反过来说,宇宙中的行星总是看起来比它们的一些卫星更加接近球体。例如,火星有两颗小卫星,它们两个都没有被自重力压成扁球体。相反,它们的外观通常被描述为马铃薯形。
总之,我们要为我们的母星说一句话:它可能不是完美无瑕的,但至少它算是非常圆了。
结尾彩蛋:
在DC漫画的超人系列中,臭名昭著的角色比扎罗Bizarro来自一个名为Htrae的天体。也被称为比扎罗世界BizarroWorld(图),这个行星的形状像一个巨大的立方体。根据物理学教授兼漫画迷詹姆斯卡·卡里奥斯的说法,像Htrae这样的地方在现实世界中必须是非常微小的。“如果要避免变形为球体的话,那么从Bizarro行星中心到其中任意一个面的平均距离不能超过英里(公里)。”Kakalios在他的《超级英雄的物理学》中写道。相比之下,德克萨斯州从东到西长达公里,这算得上很大了。在那样微小的星体中,Htrae不会有足够的引力来维持自己的大气层。
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