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为什么行星在一个平面,而彗星却在乱飞?太阳系的秩序与叛逆

你看,八大行星沿着一圈圈轨道绕着太阳转,整整齐齐排在同一层里。宇宙那么大,星星转起来怎么可能刚好齐整整排在一片平层里?大

你看,八大行星沿着一圈圈轨道绕着太阳转,整整齐齐排在同一层里。宇宙那么大,星星转起来怎么可能刚好齐整整排在一片平层里?

大概46亿年前,太阳系还没个影子。太空里只有一团巨大的分子云,大部分是氢气,混着些固体尘埃。这团云在自身的引力里慢慢往里坍缩。它本身还带着一点很淡的初始旋转。随着坍缩持续,云团的半径越来越小,旋转的速度也越来越快。旋转带起来的力,在旋转对应的平面方向,会抵消一部分引力。在垂直于旋转平面的两极方向,没有这种抵消作用。物质更容易沿着旋转平面聚集,原本接近球形的云团,慢慢被压成了一个扁平的盘状结构。

盘状结构的中心区域,物质密度最高,最后聚成了太阳。盘里剩下的气体和尘埃,不停碰撞聚集,慢慢形成了八大行星和其他太阳系里的天体。所有行星的诞生环境,都在这个扁平的盘里。太阳系后来的扁平底子,就是这时候打下的。

行星在盘里慢慢聚成了型,之后的几十亿年里,也没有大范围跑出这个平面。盘里无数微小的颗粒,在行星形成的过程里不停碰撞。运动方向偏离盘平面的颗粒,会在碰撞里损失垂直方向的动能,轨迹慢慢向盘平面靠拢。成型的行星之间,还有行星和盘里剩余物质的引力相互作用,会持续调整轨道的方向。轨道歪得比较多的天体,会在长年累月的引力拉扯里,慢慢把轨道拉回大家都在的平面。共面的轨道排布,是多天体引力系统的稳定状态。偏离平面的轨道,会受到周期性的引力扰动,能量慢慢耗散,最后回到稳定的共面状态。

这个共面结构,不是绝对完美的。八大行星的轨道,和这个共同平面之间,都有一点点偏差。水星偏得最多,大概7度。金星是3.4度,地球的偏差只有0.003度。外面的几颗行星偏差更小,木星只有0.3度。这些小小的偏差,都来自行星形成时,那些混乱又随机的碰撞。放在太阳系动辄几十亿公里的轨道尺度里,这点偏差根本不值一提。

太阳系的这种扁平结构,不是宇宙里的特例。天文学家在年轻恒星的周围,普遍观测到了类似的盘状结构。银河系本身也是一个巨大的盘状结构,遵循着相同的物理原理。开普勒望远镜发现的系外行星系统,大多也有共面的特征。这种由旋转带来的盘状结构,是宇宙里天体形成时的普遍状态。

宇宙里也有不符合共面规律的天体。太阳系外围的奥尔特云是球形分布的,这些天体形成于原行星盘的引力边缘,受外部引力扰动后进入了高倾角轨道。离散盘里的阋神星,轨道倾角能到44度,可能是被海王星的引力散射到了当前的轨道。部分系外热木星系统,也有高轨道倾角的情况,可能来自行星迁移或者恒星伴星的引力扰动。这些天体的运行状态,都需要特殊的动力学过程来解释。