为何行星都在同一平面上公转?


根据对行星形成过程的模拟结果,行星通常排列成盘状,与我们观测到的太阳系类似。
转载自微信公众号:利维坦
原文链接:Why Do All The Planets Orbit In The Same Plane?

利维坦按:想象一下印度飞饼的制作过程。一块大面团在不断的旋转之后变成一张近似圆形的饼面,这便是行星能够在同一平面公转的成因。行星系的初始星团状态是不稳定、不均匀的,非平衡状态使其在某一个维度上首先发生坍缩,尔后的运动就像是旋转的面团——直至最后变成一个二维平面。

再往后,引力在密度大的地方催生出行星,再逐渐形成星系……这是飞饼制作过程中做不到的。

我们所处的太阳系秩序井然:四颗内行星(水星、金星、地球和火星)、一圈小行星带和四颗气态巨行星(木星、土星、天王星和海王星)全都在同一平面绕太阳公转。就算向更广阔的宇宙探索,柯伊伯带(Kuiper belt,是位于太阳系中海王星轨道(距离太阳约30天文单位)外侧的黄道面附近、天体密集的圆盘状区域)天体也遵循同样的排列方式,位于同一平面上。

太阳毕竟是个球体,如果这些行星都位于同一平面只是偶然,那未免也太巧了。在我们已观测到的所有系外恒星系中,行星几乎都位于同一平面,无论这些星系位于何方。根据目前掌握的知识,本文将为您解释这背后的科学道理。


绕太阳公转的八个行星几乎处于同一平面,即不变平面(Invariable Plane)。据我们所知,这也是各恒星系行星的典型排列方式。

目前,我们已经极其精确地绘制出了太阳系行星的公转轨道,并发现所有行星都在同一二维平面上绕太阳公转。不同行星的公转平面角度相差最多不过 7°。

水星离太阳最近,公转平面倾斜角度也最大,如果将其排除在外,你会发现所有行星都排列有序,各行星的公转轨道平面与不变平面的夹角平均只有2°左右。


水星离太阳最近,公转平面倾斜角度也最大,如果将其排除在外,你会发现所有行星都排列有序,各行星的公转轨道平面与不变平面的夹角平均只有2°左右,这令人惊叹的精度全是大自然的手笔。

这些行星的排列方式与太阳的自转轴也密切相关:当行星边自转边绕太阳公转时,太阳本身也在自转。如你所料,太阳自转轴与行星公转轨道平面的夹角也约为7°。

你肯定觉得,这些行星之所以排列得这么整齐,背后一定有什么玄机,不然它们的公转轨道就会随机排列,因为让这些行星待在固定轨道上的是引力,而引力的作用原理在所有维度都始终如一。比起绕着井然有序、近乎完美的圆形轨道公转,这些行星乱成一窝蜂才更说得通。

问题是,如果从太阳出发深入宇宙,只要走得够远,越过那些行星、小行星和类似哈雷的彗星,再穿过柯伊伯带,你会发现,那里确实乱成了一窝蜂。


目前普遍认为奥尔特云(Oort cloud,在理论上是一个围绕太阳、主要由冰微行星组成的球体云团。)为混乱无序的球体云团,但被其包围的柯伊伯带大体仍为盘状,其中的行星均在不变平面上。

所以到底是什么让太阳系的行星排列在同一平面上,绕太阳公转,而没有乱成一窝蜂?为了揭开这个谜团,我们要让时光倒流,回到太阳形成之初。当时太阳还只是一团气态分子云,宇宙中的所有新生恒星都是由这种物质演化而成。


图为一大团分子云,这种分子云在银河系和我们附近的星系中清晰可见。这些云团经常碎裂,收缩,久而久之,巨大的恒星就由此诞生。

当分子云温度足够低,且膨胀到被引力束缚时,就会在自身引力作用下收缩并坍塌。上图左的烟斗星云就是个例子,星云中某些区域的密度会变大,而密度足够大的区域就会产生新的星团(图右中的圆圈)。

乍一看就能发现,这团星云并非完美的球体,而是不规则的细长形,其他类似星团也不例外。 引力无法容忍这种不完美。引力与物体间距平方成反比,物体到某大质量天体的距离每减少一半,它受到的引力就翻两番。因此物体间的初始差异就算再小,也会在短时间内被引力迅速放大。


2004年至2006年间,哈勃望远镜团队拍摄到的猎户座星云的可见光合成影像。

因此,演化过程中的星云形状都很不对称,气体密度最大的地方就会形成恒星,而只要看向星云内部,就会发现其中的单个恒星基本都是完美的球体,就像我们的太阳一样。


在猎户座星云内的可见光(图左)和红外线(图右),这团星云内有个巨大的恒星团,说明此类星云在十分活跃地孕育恒星。

由于星云本身就极其不对称,其中凝集成团的单个恒星形状既不规则,也不对称,且密度过大,因此恒星会在三维空间中的某一维开始整个瓦解过程。你、我还有原子都是由原子核和电子构成的“物质”,而物质发生碰撞时,会粘在一起,相互作用,形成细长的物质盘。没错,引力会把大多数物质拉到盘中心,恒星就这里形成,恒星周围就是所谓的原行星盘(Protoplanetary Disc)。多亏哈勃望远镜,我们已经能直接观测到原行星盘!


图为距我们约1300光年的猎户座星云原行星盘,这些原行星盘将来会演化成与太阳系类似的恒星系。

正因如此,在观测原行星盘时,我们看到的是秩序井然的平面,而不是乱七八糟的一团。再深入探索,就得靠模拟了,毕竟人类是个年轻的物种,我们还没来得及见证原行星盘诞生的全过程。对任何年轻的恒星系来说,这个过程都要持续约100万年。下图为模拟结果。


根据模拟,不对称物质团的某一维度会首先开始收缩,而后开始旋转。这个“盘”就是行星诞生的地方。哈勃望远镜等设备能直接观察到多数行星形成过程的中期阶段。

随着越来越多的物质聚拢到星云中心,星云还会继续收缩。但由于其中大部分物质变成漏斗型,星云中的大量物质将排列成一个平面,稳定地绕恒星公转。

到底为什么?

想回答这个问题,要先了解一个物理量——角动量(angular momentum)。它能告诉我们原行星盘本身(包括气体、尘埃、恒星在内)的旋转幅度。根据角动量守恒定律,角动量在盘内星子间分布均衡,也就是说盘内所有物质都向大致同一方向(顺时针或逆时针)旋转。随着时间的推移,云盘的大小和厚度会稳定下来,原来不明显的引力不稳定性开始增强,行星随之形成。

云盘内部和云盘间的初始状态确实有细微差异,相互作用的行星之间产生的引力效应也不可忽视。星云中心形成的恒星并非一个点,而是一个已经扩张的天体,它位于一个直径100万公里的棒球场中。上述因素协同作用,最后行星轨道组成的平面虽然不是完美的奇异平面,但也十分接近了。事实上,三年前,我们才首次观测到,太阳系外的行星系统是如何产生新的行星,这些行星的公转轨道又如何形成统一平面。


ALMA拍摄到的新生恒星金牛座HL(左上角)及其周围的原行星盘。

上图左上角的年轻恒星金牛座HL位于星云边缘,周围有原行星盘环绕,距我们约450光年以外。这颗恒星才100万岁左右。这张图片要归功于阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列(ALMA),该长基线阵列能捕捉到波长以毫米以及肉眼可见光波长1000倍以上的光线。


ALMA拍摄的围绕着金牛座HL的原行星盘,其中的缝隙说明此处有新行星。

显而易见,盘内所有行星都在同一平面,除此之外,盘内还有黑暗“缝隙”,每条缝隙中都孕育着一颗年轻的行星,我们还不知道这些行星哪些会相互融合,哪些会被踢出盘外,哪些会向盘内迁移,最终被母恒星吞噬——但我们已经见证了年轻恒星系发展过程中至关重要的一步。

我们虽然观测过年轻的行星,但却从未目睹这个特殊的阶段。我们也曾观测过更为成熟的恒星系,其幼年、中年和老年时期都壮观无比。无一例外,这些恒星系的行星公转轨道都在同一平面上。


图为绕恒星HR8799公转的四颗行星,该恒星在地球129光年外。

那为什么同星系的行星都在同一平面公转呢?因为它们由一团不对称的气态云组成,气态云最短的一侧会先坍缩,物质先四处飞溅,又聚合到一起;另外气态云虽然会收缩,但物质最终都会绕其中心旋转,行星正是由这个年轻物质盘的缺陷演化而成。同一星系行星的公转轨道最后都在同一平面上,彼此之间的夹角最多不过几度而已。

在理论计算的基础上,目前的观测结果与模拟结果高度吻合,即同一恒星系的行星公转轨道都在同一平面上,这是在全宇宙都颠扑不破的真理。从恒星系精彩非凡的演化过程及其中的种种细节中,我们得以窥见这条真理为何如此引人赞叹,以及它所蕴含的知识是多么丰富。

标签: 角动量守恒, 公转

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