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发表于 2018-12-19 21:51:12
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跟胖哥学物理 为什么星系多呈扁平的
感谢悟空官方邀请,广义上星系指无数的恒星系(包括恒星的自体)、尘埃(如星云等)组成的运行系统。参考银河系,它是一个包含恒星、气体的星际物质、宇宙尘和暗物质,并且受到重力束缚的大星系。典型的星系,从只有数千万颗恒星的矮星系到上兆颗恒星的椭圆星系都有,全都环绕着质量中心运转。除了单独的恒星和稀薄的星际物质之外,大部分的星系都有数量庞大的多星系统、星团以及各种不同的星云。
宇宙中星系是众多的,我们知道的银河系已经足够大了,但是比它大星系还是有。1925年,大名鼎鼎的哈勃拿出强有力的观测证据,证实了仙女座星云不仅是一个独立的河外星系,而且比银河系大多了。现在我们知道仙女座星系,直径达20万光年,是本星系群里的老大,银河系只能排行老二。
当下天体物理学界认为星系主要分成三类:椭圆星系、螺旋星系和不规则星系。在这三种星系中虽然形成原因不尽相同,但是几乎都是扁平的。最根本的原因是因为引力和离心力的共同作用,令旋转物体变扁,准确的讲,这叫星系的共面性。那么这是为什么呢?为啥不能是分布在一个球状上,而是一个圆盘呢?主要原因是万有引力和太阳自传向心力共同作用结果。
既然提问者谈到了太阳系,我们就以他为例来说说为什么呈扁平的。太阳系的八大行星的公转轨道基本在同一个平面上(太阳最近的水星轨道有细微偏离)。为什么,其实问题根源在于运动稳定性。太阳系中八颗行星之所以在同一个平面,是因为它们分别处于这两种形状下运转时最为稳定。
我们知道,物体间永远都存在着一个力万有引力,它跟质量的大小成正比、与距离的平方成反比!假如太阳只有一个行星的话,是没有这种顾虑的,因为两颗星球一定是在同一个圆上的,但是假如有两颗以上呢?
若是只有一颗行星,那么公转平面自然只有一个。若是有两颗行星,设定两颗行星转动惯量相近,两颗行星的转动半径并不十分相近。假如不在同一个平面的话,其中某颗星球收到的合力就不在一个平面上,在多出来的这个分力的作用下,就会把它拉到这个平面上来。即这个恒星系最稳定的情形一定是三点一线,只有这种情形下,这颗星球才不会被“扯来扯去”。假如星球更多的话,就更是需要在接近一个平面上才行,不然互相干扰太严重。有个假设就是一开始是球状分布的,但是由于太乱,有些星球被太阳甩出去了,其他的都回到这个平面了,这样才稳定了下来。
由于太阳有自转,假如行星的轨道不在太阳的自转平面附近,那么由于太阳的引力作用,会把行星扯回这个平面来,只有这样才是符合力学规律的,引力才几乎都拿去提供向心力了!也许你要问了?那地球附近的那些极地卫星为啥不会被扯回赤道面呢?这其实是可以解释的,因为这些极地卫星每过一段时间就要利用自身带的动力系统调整一次姿势,以防止被拉回赤道面。也就是说,这是有外力来维持的,所以才会有极地卫星!
我们再来看银河系里,而太阳系外缘的柯伊博带的矮行星轨道会有较大的平面偏离,更远的奥尔特云会有更大的偏离角度;银河系的外缘被俘获的小星系轨道也会有平面偏离,还有银河系核心附近的轨道也会有较大偏角。
而银河系本身也是是以点为中心自转的体系,如果是以轴为中心,那么由于万有引力的作用轴向上也会向内收缩,所以由于万有引力的作用银河系的自转的体系是扁的。宇宙是球形的,因为所有星系都是从宇宙中心运动向宇宙边缘的,然而银河系和太阳系都是一群天体绕着一个大质量的天体旋转的。
在宇宙中高速运行具有星系核的星系,当它追及到另一个具有星系核的星系时,如果两者的运行速度相近,就会相互吞噬,形成了一个更大的星系。倘若这两个星系的星系核相遇,就会相互绕转而形成一个质量更大的高速旋转的星系核。这个高速旋转的星系核就像一个巨大的发电机,从它的两极爆发出能量强大的粒子流向远方喷射。星系核的能量越大,喷射粒子流的流量也就越大,喷射得也就越遥远。
我们把这样的星系核称作两极喷流星系核。星系核在喷射高能粒子流的时候,会消耗其自身的能量,然而,当它俘获了其它星团或者星系以后,就会增添能量。当星系核的能量发生由大到小的变化时,就会建造出两条粗大的喷流带。如果星系核的磁轴绕着另一条轴(这条轴称作星系核的自转轴)旋转,那么,喷流带的轨迹就会弯曲,而演变成旋涡星系的两条旋臂。一般的,星系核的磁轴与自转轴之间的夹角(0~π/2)越大,所建造的星系盘面就会越扁;否则就会越厚。星系核的磁轴绕着自转轴的旋转速度越快,旋臂缠卷得就会越紧;否则,就会越松。旋涡星系的两条旋臂是恒星诞生的活跃区域。
不止银河系是“扁的”其它星系基本也都是,原因是星系中心存在超大质量黑洞,整个星系中的所有天体都会围绕它转动,它本身应该也是在自转的。想下太阳系的情况,大至上也是扁的,道理上是一样的,围绕中心转的天体大都会分布在与中心天体自转轴垂直的“平面”上。虽然不是每个星系都是扁的,有些星系是椭圆形的,但是每个星系都在向扁平发展,因为扁平状对星系是最稳定的。
啰嗦这么多,由于笔者习惯用手机回答问题,在手机上不太容易画图,所以文字回答不是很通俗。但是总体来讲,星系之所以是扁平,主要是所受力和稳定性造成的。但是,有没有特殊形状的星系还没发现,目前被天文学划分三类星系几乎都有共面性,形状都是扁平!
2018年12月19日于宜昌夷陵吾同斋 |
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