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宇宙中的“台球比赛”,“永动”的天体,万物为何都在不停的运动

时间:2019-09-08 来源:果妈的小确幸
角动量守恒!事实上行星自转的存在是因为角动量的守恒。之所以行星可以快速的自转,是因为在其形成早期,它们凝聚出来的气体云具有非常小的角动量,因此才会有了现在的自转。最开始有了气体云运动,因为角动量是守恒的,所以它们会一直存在自转。


回答这个问题之前,我们需要想象一场台球比赛。当你的杆击中白球时,有时可能就会看见白球在打转。大多数专家认为,在大约45亿年前行星形成的时候,许多物质团都会碰撞在一起,因此行星获得了最初的动能开始自转。

但为什么它们会朝向同一个方向自转呢?当我们的太阳系只不过是一团气体和尘埃云时,由于附近的一颗超新星的激波反弹,导致了整个系统的不稳定性。当气体尘埃云开始坍缩时,其自身的引力把它拉到了一个扁平的、自转的圆盘上。由于太阳系中的整个天体都是由同一个原始盘面形成的,所以它们的角动量导致几乎所有的东西都向同一个方向自转。(值得注意的是有一个例外,那就是天王星和金星,天王星之所以具有奇特的逆行自转,可能的原因是它形成后不久与小行星有过强烈的撞击。)

我们的行星由于惯性而不断的在自转。在太空的真空中,自转的物体会保持它们的动量和方向——因为没有外力作用来阻止它们的自转。因此,我们太阳系的其他行星——将继续保持现有的自转。


宇宙中的“台球比赛”,“永动”的天体,万物为何都在不停的运动


地球的自转,图Dna-webmaster

什么是自转?

自转又可以称为转动,是物体围绕其旋转中心(或点)做一个圆形运动的现象。三维的物体总是可以围绕(一种被称为)旋转轴的无数个虚线自转。如果轴穿过其物体的整个质量中心,就可以可称该物体在自转。如果是物体围绕一个外部点(例如地球围绕太阳)的自转,则可称为公转或轨道自转,这通常是在引力作用下产生的。

天文学上的自转

在天文学中,自转是一种能普遍观察到的现象。如恒星、行星和类似的天体都会在它们各自的轴线上自转。首先我们会通过跟踪它们的目视特征来测量太阳系中行星的转速。其次通过多普勒频移或跟踪其表面活动的特征来测量恒星的自转(如太阳表面的黑子)。

这种自转在地球的参考系中会引起一种离心加速度,从而可以稍微抵消其对赤道附近引力的影响。一种有趣的效应是物体在赤道处(感受)的引力会稍微小一点。另一种效应则是赤道稍微隆起,并导致整个地球的形状不是那么的圆(扁球体)。


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进动的运动。图:NASA, Mysid

行星自转也会导致另一种现象,这就是进动现象(岁差)。此现象与陀螺仪类似,行星轴运动过程中,轴线相对于背景星体会出现一定程度的轻微“摆动”,这种现象就是行星轴向进动(我们也叫岁差)。目前,地球的轴向与其轨道平面(黄道)的倾斜度是23.44度,但是这个角度会在数千年中缓慢的变化。


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ESO 3.6米望远镜上空的星迹。图:ESO/A.Santerne

自转与公转

虽然自转常常被用作公转的同义词,但在许多领域中,特别是在天文学和与其相关的领域中,公转,通常被称为轨道自转。详细的说,公转就是当一个物体绕另一个物体运动,而自转是指绕一个物体中心轴的运动。卫星绕着行星公转,行星绕着恒星公转(如地球绕着太阳公转),恒星绕着银河系中心缓慢地公转。然而星系各组成部分的运动是非常复杂的,但它们通常有一个公转的分量。

逆行自转

在我们太阳系的大多数行星中,包括地球,其自转方向都与绕着太阳公转的方向相同的。不过有些例外的行星,那就是金星和天王星。天王星相对于它的轨道几乎是躺在黄道面上逆行自转的。目前的推测是,天王星一开始的自转方向与其它行星一样为顺行自转的,但可能在其早期的历史中受到过天体的巨大撞击,因此才变成了今天我们所见的逆行自转。金星逆行自转的原因被认为可能是缓慢地向后旋转(或者“上下倒置”)。另外矮行星冥王星(以前被认为是一颗行星)则为不同于上述情形的异常情况。

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