宇宙中的天体为啥都是球形的?到底是什么力量造成的?

2024-11-21 08:21:43
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回答1:

地球上最高的珠穆朗玛峰高8844米,最深的海沟马里亚纳海沟深超过11000米。这意味着地球表面的相对高度差不多有20000米。

如此巨大的绝对高度,因此很多人觉得地球其实并不圆。可是大伙要知道,圆不圆是相对的,地球的直径为12756千米,相对高度的20千米只占地球直径的0.16%。按照这个比例,将地球缩小到乒乓球大小,我们会发现,地球的表面比乒乓球还要光滑。所以我们可以说,地球是圆的。


可是大伙发现没有,从地球,月球,乃至太阳系的八大行星和太阳本身,宇宙间无尽的天体,只要质量足够大,我们会惊奇地发现,它们竟然都是圆的,都近似一个球体。那为什么不是长方体,圆柱体,和其它几何体的形状呢?为什么宇宙中的天体形状不能是形态各异的呢?为什么所有的大质量天体只能是球形而不是其它形状呢?

总的来说一句话可以解释:因为大质量天体自身的重力克服了自身的缸体应力,从而呈现出了一种流体静力平衡的状态,也就是球体。


怎么理解这句话呢?通俗点说就是只有天体呈球形的时候,才是天体受力平衡达到的最稳定状态,所以天体的最终形态是由它所受的力决定的。物理学告诉我们,固定物质之所以能够保持自身的形状,是因为它自身的刚体应力,当出现一个大于这个应力的作用力的时候,就可以改变这个固定的形状。

举个例子,对于一块钢铁,我们用手捏的话,手施加给钢铁的力远远小于钢铁自身的应力,而当我们用液压机去压钢铁时,钢铁就会发生剧烈的形变,因为液压机施加在钢铁身上的力远大于钢铁自身的应力。同样的道理,宇宙中的天体也一样,当出现一个大于这个天体自身刚体应力的作用力时,这个天体就会发生形变。


对于大质量天体而言,这个作用力就是它自身的引力,质量越大,引力就越大,天体自身的引力会把天体表面的物质向中心收缩。如果我们将天体看成一个质点,那么天体引力的等势面恰好就是一个球面,在这个引力等势面上,每一点的引力大小都是相等的,其方向都指向这个质点,这就保证了天体的表面受到了一个以球心为中心,均匀分布的向着球心的力,当这个力与天体自身的刚体应力达到平衡时,也就是达到流体静力平衡之后,一个呈现球形的天体就出现了。

所以我们可以得到这样一个结论,天体的形状与大小和其自身的物质属性和重力大小有着直接的关系。天体自身的引力越大,这个天体就越容易呈现球形,天体上的山峰就不会太高。地球第一高峰珠穆朗玛峰有8844米,而火星的引力只有地球的1/3,火星上最高的山峰奥林匹斯山有21171米。所以整体来看,地球与火星相比,更加接近一个球体。


当天体的质量很小时,比如太阳系内的一些陨石碎片,它们自身的引力就不足以对抗其自身的刚体应力,这样的天体,其形状长得就很随意,所以太阳系内的小天体,什么奇形怪状的都有。基于这个物理事实,国际天文联合会对大行星的第一条定义就是:必须在自身引力下达到流体静力平衡状态。

除此以外,天体的形状还与天体的自转速度有关。在自转的影响下,由于离心力的作用,天体表面的物质会有向赤道方向靠拢的趋势,天体会因此呈现成一个赤道微微隆起,两极略扁的扁球形状,理论上宇宙中的天体都在自转,只是有的快有的慢而已,因此实际上,宇宙中的天体都只是类球体,完美球体的天体在宇宙中理论上是不存在的,就连白矮星,中子星这样的极限天体也不是完美的球体。


除了自转以外,对于一些被潮汐锁定的天体,它们的形状还会受到潮汐力的影响而改变。所谓潮汐锁定,就是两个相互绕行的天体由于引力的作用使得其中一个天体始终只有一面面向对方。比如我们的月球就被地球潮汐锁定了,所以我们在地球上永远也看不到月背。在地球引力的作用下,月球表面慢慢地被拉成了一个椭球体。

综上我们可以知道,天体最终会形成什么形状,是由它所受到的力的的共同作用所决定的。天体的质量越大,其形状就越接近球体。


那么这里大家可以开一个脑洞,宇宙中会存在一个体型比地球还大的非类球体形的生物吗?在人类现有的理论框架内,这样的生物是不存在的。目前宇宙中,还不存在有什么物质的刚体应力强度能够支撑这么大的重力。所以,宇宙中大概率不存在着比地球还大的生物,就算它真的存在,那它也是个球,那我们害怕个球!