为什么好多天体最终变成了球体,而不是别的形状?


这个问题其他回答已经说的很清楚了,一颗行星如果质量超过一定限度,就会在自身引力作用下形成球形。但是,这里还有一些更加有趣的东西:其实大行星可以是其他形状的。

从地球开始说吧。严格的说,地球并不是一个球形。由于自转的影响,地球是一个椭球体,赤道半径比极半径大约 20 公里。如果你在观察细致一点,会发现它的南北极也不对称。不过,这点细微的差别和我要讲的东西没有关系。

如果我们让地球自转的更快,它就会变得更扁。

当然,地球现在并没有,将来也不太可能转这么快。对于宇宙中的不计其数的类地行星来说,这个可能性是存在的——也许由于其他天体的撞击,也许住在上面的外星人想把自己的行星变成一个旋转木马。我们还是继续折腾地球吧。

继续提高自转速度。

也许你会觉得有点无聊:就算我们能把地球转成一个扁扁的盘子,甚至最后让它四分五裂,也没有什么稀奇的地方。不要着急,好戏马上就开场了。

当自转周期达到一定的极限值,比如,3 小时 / 周,神奇的现象出现了。

地球中间会出现一个洞。也就是说,地球变成了一个甜甜圈的形状。这个洞出现的原因,和多数天体收缩成球形的道理一样,是为了达到引力势能的最小化。当地球变得足够扁的时候,中心的物质引力势能比较大,它们就会自然而然的向旁边运动,留下一个空洞。

甜甜圈地球并不只是我们坐在这里异想天开的结果。对于高速自转形成的环状天体,天文学家从牛顿力学到相对论等各方面进行了分析和模拟。我想他们也希望有朝一日能在宇宙中发现活生生的甜甜圈行星。

如果我们就住在这样一个甜甜圈地球上,会有什么样的体验呢?

首先,一个昼夜只有不到 3 个小时。白天的一个半小时里,你会看见太阳在天空疾驰而过。夜晚,你会看到漫天的繁星用可以觉察的速度在夜空中转动。不过我估计你不会因为转得太快而头晕,毕竟这个角速度只有国际空间站(90 分 / 周)的一半。

如果你站在内环,可以在头顶看见内环的另外一面。想象一下,大地从你脚下向前延伸,同时逐渐升高到天空,最后从你身后落下。看着头顶的山川大海,这是怎样一番惊人的景色。

图片来自

i.imgur.com/zhnFPxl.png

视觉效果和上面的 Halo 艺术图比较相似,但是甜甜圈地球应该比它粗得多。

在一年的大部分时间里,内环是没有黑夜的。即使在太阳不能直接照射的地方,内环的另一面也能把阳光反射过去,让它亮如白昼。

和球形地球相比,甜甜圈地球的质量比较分散,这导致它的表面重力比较低。更重要的是,在不同的地区,重力差别很大。在外环的赤道部分,重力最小;内环赤道重力稍大;而在上下两面(南极和北极地区),重力最大。不同地区重力的最大差别超过 1 倍。

由于重力的差异,不同地区的动物和植物的大小都不一样,甚至人类也会演化出巨人和矮人这样的亚种。但是,这也将对全球贸易造成极大的困扰。我无法想象人们怎样称量远洋轮船运过来的货物以及设定价格。估计这个世界只能使用基于秤砣的技术了。

甜甜圈地球的卫星轨道也十分有趣。首先,传统的椭圆形开普勒轨道仍然可以存在,不过只能局限于很小的范围:卫星只能在比较远的距离上运行在赤道面上。

你也许从来没有想象过,卫星可以保持静止(相对于它的行星)。在甜甜圈地球上,这是可能的。不难看出,圆环的中心位置是一个拉格朗日点。也就是说,这个点上受到地球各部分引力的合力为零。理论上,一颗卫星可以停留在在这个位置上保持不动。

遗憾的是,即使是甜甜圈地球的居民也没有运气欣赏到这种天文奇观,因为这是一种非常微妙的平衡状态,换句话说,一种不稳定的状态。一点点轻微的扰动就会把卫星从这种状态中推出去。运气不好的话,卫星就直接撞到地球上去了。

所以,动起来才是保持稳定的最佳策略。下面是一个能够稳定存在的卫星轨道。

一颗在圆环中心上下跳动的卫星,不知道会不会给开普勒和牛顿的计算增加额外的难度。

如果它觉得直线太单调,这颗卫星也可以在曲线上跳动。

甚至像蜜蜂一样跳 8 字舞。

最后我们来看一个和甜甜圈地球有关的数学问题。你可能听说过四色定理:在一个平面地图上,最多需要 4 种颜色,就可以保证相邻的区域颜色都不一样。对于地球这样的球体表面,四色定理仍然适用。但是,对于甜甜圈地球来说,最多需要的颜色数变成了 7 种。

下图是一个需要 7 种颜色的例子。

图片来自

Four color theorem

按照下图的方式,把它折成一个圆筒,再把圆筒两端相接,就得到了一个圆环。这个圆环上有 7 个国家,每一个都和其他 6 个相邻。

图片来自

Four color theorem

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补充一些内容。

除了上面的甜甜圈形状的行星,理论上其他形状也是可能的。比如,如果自转速度更快,行星的形状就会变成环形。

图片来自

orionsarm.com/eg-articl

不过这种环形不是稳定的形状,它已经处于崩溃的边缘,即将分裂成更小碎片,各奔东西。

不同的自转状态还可能产生其他的形状,比如相互连接的多个球体。

图片来自

Physics - Viewpoint: The many shapes of spinning drops

以上的奇特形状都来自理论上的分析。实际上我们并没有在宇宙中发现这样的行星,一方面是因为目前对太阳系外行星的探索还处于早期,另一方面,如果这样的行星真的存在,肯定数量也不多。不过,两颗相互连接的恒星都是很常见的。

位于大熊星座的 W Ursae Majoris 就是两颗相互连接的双星。

图片来自

space-art.co.uk/image.p

产生这种现象的原因可能是本来距离较远的两颗双星逐渐靠近,也有可能是有一颗恒星快速自转而彼此分离(

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