爱读书 探索 是什么力量控制着太阳系中的行星,让它们基本上处于同一个平面?

是什么力量控制着太阳系中的行星,让它们基本上处于同一个平面?

地球一直围绕着太阳公转,我们将其公转的轨道平面称为“黄道面”,有意思的是,除了地球以外,太阳系中的其它行星的公转轨道平面也与“黄道面”相差无已,即使是倾斜度最大的水星,也只不过差了7度左右。那么到底是什么力量控制着太阳系中的行星,让它们基本上处于同一个平面呢?这需要从太阳系的演化讲起。

是什么力量控制着太阳系中的行星,让它们基本上处于同一个平面?

根据“现代星云说”,我们的太阳系诞生于一团由气体以及弥散状态的尘埃组成的星云,其主要成分为氢和氦,除此之外,还含有少量的其它元素以及甲烷、水、氨等物质,这被称为“太阳星云”。

在大约46亿年前,“太阳星云”受到了某种外力的扰动,星云的引力平衡被打破,在此之后就开始发生坍塌,在引力的作用下,其中的气体和尘埃一边相互碰撞和吸积,一边向星云的质心移动。

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在这个过程中,虽然单个粒子的运动轨迹是杂乱的,但是由于大量粒子的相互碰撞不可能刚好抵消整体的角动量,因此星云中的大团粒子就必定会在某个方向上产生净角动量,进而在这个方向上围绕着星云的质心旋转,同样的道理,“太阳星云”这个整体也会在某个方向上产生净角动量并开始旋转。

在三维的空间坐标系中,“太阳星云”的这种整体旋转被给定在一个固定的平面,为了方便讨论,我们可以将这个平面称为“赤道面”。

很明显,此时星云中的物质并不是全部位于赤道面,在这种情况下,星云中的物质运动轨道就可以分为两种情况,第一种是物质的运动轨道就在赤道面上,第二种则是物质的运动轨道与赤道面存在着倾角,在这种情况下,运行在这种轨道上的物质就会在赤道面“上下”穿行。

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我们来举例说明,上图中的轨道2位于赤道面,而轨道1和轨道3都与赤道面存在着倾角,当运行在这轨道1和轨道3上的物质在赤道面“上下”穿行的时候,就会与运行在轨道2上物质发生碰撞,同时还伴有引力作用,从而使物质垂直于赤道面的运动分量被不断地削弱,其结果就是将“太阳星云”的扁平化。

随着坍塌过程的持续,“太阳星云”的体积不停地收缩,由于角动量守恒,“太阳星云”的旋转速度会越来越快(这里大家可以参考一下花样滑冰运动员在旋转时收起了手臂),与此同时,坍塌还使星云的物质密度逐渐增大,引力的作用也因此而越来越明显,这无疑加速了“太阳星云”扁平化的进程。

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也就是说,“太阳星云”的坍塌是趋向于扁平化的,在这个过程中,太阳首先在星云的质心形成,它占据了整个太阳系大约99.86%的质量,其余的物质则在太阳周围形成了一个类似圆盘形的结构,这被称为“原行星盘”,而太阳系中的所有行星都诞生于此。

由此我们可以看到,其实是“太阳星云”的角动量控制着太阳系中的行星,让它们基本上处于同一个平面。

看到这里可能有人会说了,几十亿年前的事情谁都不知道,科学家似乎可以随便推测,反正现在也没有办法去证实。

其实不然,这是因为虽然我们目前并没有办法回到46亿年前,去亲眼见证太阳系的诞生,但是在浩瀚的宇宙中,可以说处于任何演化阶段的恒星系我们现在都能够找到,所以我们只需要对那些处于演化初期的恒星系进行观测,就可对上述理论进行验证。

是什么力量控制着太阳系中的行星,让它们基本上处于同一个平面?

上图为“阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜”(ALMA)于2014年拍摄到的一颗“年轻”恒星,该恒星被称为“HL Tauri”,位于金牛座方向大约460光年处,从中我们可以清楚地看到这个恒星系的原行星盘,以及刚刚诞生的行星在其中蚀刻出的间隙。

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除此之外,天文学家还观测到了不少类似的恒星系,比如说上图就是由ALMA望远镜观测到的20个原行星盘,尽管这些处于演化初期的恒星系的形状存在着一定的差异,但是它们总体上都与“现代星云说”所描述的一致。所以我们完全可以据此推测出,太阳系的形成过程也同样如此。

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