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。

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?

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。

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?

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,因此星雲中的大團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。

在三維的空間座標系中,“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,執行在這種軌道上的物質就會在赤道面“上下”穿行。

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?

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,當執行在這軌道1和軌道3上的物質在赤道面“上下”穿行的時候,就會與執行在軌道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”扁平化的程序。

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?

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%的質量,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恆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恆星系進行觀測,就可對上述理論進行驗證。

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?

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”恆星,該恆星被稱為“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恆星系的原行星盤,以及剛剛誕生的行星在其中蝕刻出的間隙。

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?

除此之外,天文學家還觀測到了不少類似的恆星系,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恆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。

好了,今天我們就先講到這裡,歡迎大家

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