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【宇宙科普】是什麼力量控制著太陽系中的行星,讓它們基本上處於同一個平面?

地球一直圍繞著太陽公轉, 我們將其公轉的軌道平面稱為「黃道面」, 有意思的是, 除了地球以外, 太陽系中的其它行星的公轉軌道平面也與「黃道面」相差無已, 即使是傾斜度最大的水星, 也只不過差了7度左右。 那麼到底是什麼力量控制著太陽系中的行星, 讓它們基本上處於同一個平面呢?這需要從太陽系的演化講起。

根據「現代星雲說」, 我們的太陽系誕生於一團由氣體以及彌散狀態的塵埃組成的星雲, 其主要成分為氫和氦, 除此之外, 還含有少量的其它元素以及甲烷、水、氨等物質, 這被稱為「太陽星雲」。

在大約46億年前, 「太陽星雲」受到了某種外力的擾動, 星雲的引力平衡被打破, 在此之後就開始發生坍塌, 在引力的作用下, 其中的氣體和塵埃一邊相互碰撞和吸積, 一邊向星雲的質心移動。

在這個過程中, 雖然單個粒子的運動軌跡是雜亂的, 但是由於大量粒子的相互碰撞不可能剛好抵消整體的角動量, 因此星雲中的大糰粒子就必定會在某個方向上產生淨角動量, 進而在這個方向上圍繞著星雲的質心旋轉, 同樣的道理, 「太陽星雲」這個整體也會在某個方向上產生淨角動量並開始旋轉。

在三維的空間坐標系中, 「太陽星雲」的這種整體旋轉被給定在一個固定的平面, 為了方便討論, 我們可以將這個平面稱為「赤道面」。

很明顯, 此時星雲中的物質並不是全部位於赤道面, 在這種情況下, 星雲中的物質運動軌道就可以分為兩種情況, 第一種是物質的運動軌道就在赤道面上, 第二種則是物質的運動軌道與赤道面存在著傾角, 在這種情況下, 運行在這種軌道上的物質就會在赤道面「上下」穿行。

我們來舉例說明, 上圖中的軌道2位於赤道面, 而軌道1和軌道3都與赤道面存在著傾角, 當運行在這軌道1和軌道3上的物質在赤道面「上下」穿行的時候, 就會與運行在軌道2上物質發生碰撞, 同時還伴有引力作用, 從而使物質垂直於赤道面的運動分量被不斷地削弱, 其結果就是將「太陽星雲」的扁平化。

隨著坍塌過程的持續, 「太陽星雲」的體積不停地收縮, 由於角動量守恆, 「太陽星雲」的旋轉速度會越來越快(這裡大家可以參考一下花樣滑冰運動員在旋轉時收起了手臂),

與此同時, 坍塌還使星雲的物質密度逐漸增大, 引力的作用也因此而越來越明顯, 這無疑加速了「太陽星雲」扁平化的進程。

也就是說, 「太陽星雲」的坍塌是趨向於扁平化的, 在這個過程中, 太陽首先在星雲的質心形成, 它佔據了整個太陽系大約99.86%的品質, 其餘的物質則在太陽周圍形成了一個類似圓盤形的結構,這被稱為「原行星盤」,而太陽系中的所有行星都誕生於此。

由此我們可以看到,其實是「太陽星雲」的角動量控制著太陽系中的行星,讓它們基本上處於同一個平面。

看到這裡可能有人會說了,幾十億年前的事情誰都不知道,科學家似乎可以隨便推測,反正現在也沒有辦法去證實。

其實不然,這是因為雖然我們目前並沒有辦法回到46億年前,去親眼見證太陽系的誕生,但是在浩瀚的宇宙中,可以說處於任何演化階段的恒星系我們現在都能夠找到,所以我們只需要對那些處於演化初期的恒星系進行觀測,就可對上述理論進行驗證。

上圖為「阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡」(ALMA)於2014年拍攝到的一顆「年輕」恒星,該恒星被稱為「HL Tauri」,位於金牛座方向大約460光年處,從中我們可以清楚地看到這個恒星系的原行星盤,以及剛剛誕生的行星在其中蝕刻出的間隙。

除此之外,天文學家還觀測到了不少類似的恒星系,比如說上圖就是由ALMA望遠鏡觀測到的20個原行星盤,儘管這些處於演化初期的恒星系的形狀存在著一定的差異,但是它們總體上都與「現代星雲說」所描述的一致。所以我們完全可以據此推測出,太陽系的形成過程也同樣如此。

其餘的物質則在太陽周圍形成了一個類似圓盤形的結構,這被稱為「原行星盤」,而太陽系中的所有行星都誕生於此。

由此我們可以看到,其實是「太陽星雲」的角動量控制著太陽系中的行星,讓它們基本上處於同一個平面。

看到這裡可能有人會說了,幾十億年前的事情誰都不知道,科學家似乎可以隨便推測,反正現在也沒有辦法去證實。

其實不然,這是因為雖然我們目前並沒有辦法回到46億年前,去親眼見證太陽系的誕生,但是在浩瀚的宇宙中,可以說處於任何演化階段的恒星系我們現在都能夠找到,所以我們只需要對那些處於演化初期的恒星系進行觀測,就可對上述理論進行驗證。

上圖為「阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡」(ALMA)於2014年拍攝到的一顆「年輕」恒星,該恒星被稱為「HL Tauri」,位於金牛座方向大約460光年處,從中我們可以清楚地看到這個恒星系的原行星盤,以及剛剛誕生的行星在其中蝕刻出的間隙。

除此之外,天文學家還觀測到了不少類似的恒星系,比如說上圖就是由ALMA望遠鏡觀測到的20個原行星盤,儘管這些處於演化初期的恒星系的形狀存在著一定的差異,但是它們總體上都與「現代星雲說」所描述的一致。所以我們完全可以據此推測出,太陽系的形成過程也同樣如此。

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