为何行星都在同一平面上公转？

利维坦按：想象一下印度飞饼的制作过程。一块大面团在不断的旋转之后变成一张近似圆形的饼面，这便是行星能够在同一平面公转的成因。行星系的初始星团状态是不稳定、不均匀的，非平衡状态使其在某一个维度上首先发生坍缩，尔后的运动就像是旋转的面团——直至最后变成一个二维平面。

再往后，引力在密度大的地方催生出行星，再逐渐形成星系……这是飞饼制作过程中做不到的。

文/Ethan Siegel

译/夏夜夜夜

校对/一粒宸

原文/www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/03/01/why-do-all-the-planets-orbit-in-the-same-plane/#3ba2cd7c56c6

本文基于创作共同协议（BY-NC），由夏夜夜夜在利维坦发布

根据对行星形成过程的模拟结果，行星通常排列成盘状，与我们观测到的太阳系类似。图源：Thomas Quinn et al., Pittsburgh Supercomputing Center

我们所处的太阳系秩序井然：四颗内行星（水星、金星、地球和火星）、一圈小行星带和四颗气态巨行星（木星、土星、天王星和海王星）全都在同一平面绕太阳公转。就算向更广阔的宇宙探索，柯伊伯带（Kuiper belt）天体也遵循同样的排列方式，位于同一平面上。

太阳毕竟是个球体，如果这些行星都位于同一平面只是偶然，那未免也太巧了。在我们已观测到的所有系外恒星系中，行星几乎都位于同一平面，无论这些星系位于何方。根据目前掌握的知识，本文将为您解释这背后的科学道理。

绕太阳公转的八个行星几乎处于同一平面，即不变平面（Invariable Plane）。据我们所知，这也是各恒星系行星的典型排列方式。图源：Joseph Boyle of Quora

目前，我们已经极其精确地绘制出了太阳系行星的公转轨道，并发现所有行星都在同一二维平面上绕太阳公转。不同行星的公转平面角度相差最多不过 7°。

水星离太阳最近，公转平面倾斜角度也最大，如果将其排除在外，你会发现所有行星都排列有序，各行星的公转轨道平面与不变平面的夹角平均只有2°左右。

水星离太阳最近，公转平面倾斜角度也最大，如果将其排除在外，你会发现所有行星都排列有序，各行星的公转轨道平面与不变平面的夹角平均只有2°左右，这令人惊叹的精度全是大自然的手笔。图源：Wikimedia commons author Lookang

这些行星的排列方式与太阳的自转轴也密切相关：当行星边自转边绕太阳公转时，太阳本身也在自转。如你所料，太阳自转轴与行星公转轨道平面的夹角也约为7°。

你肯定觉得，这些行星之所以排列得这么整齐，背后一定有什么玄机，不然它们的公转轨道就会随机排列，因为让这些行星待在固定轨道上的是引力，而引力的作用原理在所有维度都始终如一。比起绕着井然有序、近乎完美的圆形轨道公转，这些行星乱成一窝蜂才更说得通。

问题是，如果从太阳出发深入宇宙，只要走得够远，越过那些行星、小行星和类似哈雷的彗星，再穿过柯伊伯带，你会发现，那里确实乱成了一窝蜂。

目前普遍认为奥尔特云（Oort cloud）为混乱无序的球体云团，但被其包围的柯伊伯带大体仍为盘状，其中的行星均在不变平面上。图源：NASA and William Crocho

所以到底是什么让太阳系的行星排列在同一平面上，绕太阳公转，而没有乱成一窝蜂？为了揭开这个谜团，我们要让时光倒流，回到太阳形成之初。当时太阳还只是一团气态分子云，宇宙中的所有新生恒星都是由这种物质演化而成。

图为一大团分子云，这种分子云在银河系和我们附近的星系中清晰可见。这些云团经常碎裂，收缩，久而久之，巨大的恒星就由此诞生。图源：Yuri Beletsky (Las Campanas Observatory, Carnegie Institution for Science) (L); J. Alves, M. Lombardi and C. J. Lada, A&A, 462 1 (2007) L17-L21 (R)

当分子云温度足够低，且膨胀到被重力束缚时，就会在自身重力作用下收缩并坍塌。上图左的烟斗星云就是个例子，星云中某些区域的密度会变大，而密度足够大的区域就会产生新的星团（图右中的圆圈）。

乍一看就能发现，这团星云并非完美的球体，而是不规则的细长形，其他类似星团也不例外。 引力无法容忍这种不完美。引力属于加速力，物体到某大质量天体的距离每减少一半，它受到的引力就翻两番。因此物体间的初始差异就算再小，也会在短时间内被引力迅速放大。

2004年至2006年间，哈勃望远镜团队拍摄到的猎户座星云的可见光合成影像。图源：NASA,ESA, M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) and the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team

因此，演化过程中的星云形状都很不对称，气体密度最大的地方就会形成恒星，而只要看向星云内部，就会发现其中的单个恒星基本都是完美的球体，就像我们的太阳一样。

在猎户座星云内的可见光（图左）和红外线（图右），这团星云内有个巨大的恒星团，说明此类星云在十分活跃地孕育恒星。图源：NASA; K.L. Luhman; and G. Schneider, E. Young, G. Rieke, A. Cotera, H. Chen, M. Rieke, R. Thompson (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Ariz.); NASA, C.R. O’Dell and S.K. Wong (Rice University)

由于星云本身就极其不对称，其中凝集成团的单个恒星形状既不规则，也不对称，且密度过大，因此恒星会在三维空间中的某一维开始整个瓦解过程。你、我还有原子都是由原子核和电子构成的“物质”，而物质发生碰撞时，会粘在一起，相互作用，形成细长的物质盘。没错，引力会把大多数物质拉到盘中心，恒星就这里形成，恒星周围就是所谓的原行星盘。多亏哈勃望远镜，我们已经能直接观测到原行星盘！

图为距我们约1300光年的猎户座星云原行星盘，这些原行星盘将来会演化成与太阳系类似的恒星系。图源：Mark McCughrean (Max-Planck–Inst. Astron.); C. Robert O'Dell (Rice Univ.); NASA

正因如此，在观测原行星盘时，我们看到的是秩序井然的平面，而不是乱七八糟的一团。再深入探索，就得靠模拟了，毕竟人类是个年轻的物种，我们还没来得及见证原行星盘诞生的全过程。对任何年轻的恒星系来说，这个过程都要持续约100万年。下图为模拟结果。

根据模拟，不对称物质团的某一维度会首先开始收缩，而后开始旋转。这个“盘”就是行星诞生的地方。哈勃望远镜等设备能直接观察到多数行星形成过程的中期阶段。图源：STScl OPO—C Burrows and J. Krist (STScl), K. Stabelfeldt (JPL) and NASA

随着越来越多的物质聚拢到星云中心，星云还会继续收缩。但由于其中大部分物质变成漏斗型，星云中的大量物质将排列成一个平面，稳定地绕恒星公转。

到底为什么？

想回答这个问题，要先了解一个物理量——角动量（angular momentum）。它能告诉我们原行星盘本身（包括气体、尘埃、恒星在内）的旋转幅度。根据角动量守恒定律，角动量在盘内星子间分布均衡，也就是说盘内所有物质都向大致同一方向（顺时针或逆时针）旋转。随着时间的推移，云盘的大小和厚度会稳定下来，原来不明显的引力不稳定性开始增强，行星随之形成。

云盘内部和云盘间的初始状态确实有细微差异，相互作用的行星之间产生的引力效应也不可忽视。星云中心形成的恒星并非一个点，而是一个已经扩张的天体，它位于一个直径100万公里的棒球场中。上述因素协同作用，最后行星轨道组成的平面虽然不是完美的奇异平面，但也十分接近了。事实上，三年前，我们才首次观测到，太阳系外的行星系统是如何产生新的行星，这些行星的公转轨道又如何形成统一平面。

ALMA拍摄到的新生恒星金牛座HL（左上角）及其周围的原行星盘。图源：ESA / NASA

上图左上角的年轻恒星金牛座HL位于星云边缘，周围有原行星盘环绕，距我们约450光年以外。这颗恒星才100万岁左右。这张图片要归功于阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列（ALMA），该长基线阵列能捕捉到波长以毫米以及肉眼可见光波长1000倍以上的光线。

ALMA拍摄的围绕着金牛座HL的原行星盘，其中的缝隙说明此处有新行星。图源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

显而易见，盘内所有行星都在同一平面，除此之外，盘内还有黑暗“缝隙”，每条缝隙中都孕育着一颗年轻的行星，我们还不知道这些行星哪些会相互融合，哪些会被踢出盘外，哪些会向盘内迁移，最终被母恒星吞噬——但我们已经见证了年轻恒星系发展过程中至关重要的一步。

我们虽然观测过年轻的行星，但却从未目睹这个特殊的阶段。我们也曾观测过更为成熟的恒星系，其幼年、中年和老年时期都壮观无比。无一例外，这些恒星系的行星公转轨道都在同一平面上。

图为绕恒星HR8799公转的四颗行星，该恒星在地球129光年外。图源：J. Wang (UC Berkeley) & C. Marois (Herzberg Astrophysics), NExSS (NASA), Keck Obs.

那为什么同星系的行星都在同一平面公转呢？因为它们由一团不对称的气态云组成，气态云最短的一侧会先坍缩，物质先四处飞溅，又聚合到一起；另外气态云虽然会收缩，但物质最终都会绕其中心旋转，行星正是由这个年轻物质盘的缺陷演化而成。同一星系行星的公转轨道最后都在同一平面上，彼此之间的夹角最多不过几度而已。

在理论计算的基础上，目前的观测结果与模拟结果高度吻合，即同一恒星系的行星公转轨道都在同一平面上，这是在全宇宙都颠扑不破的真理。从恒星系精彩非凡的演化过程及其中的种种细节中，我们得以窥见这条真理为何如此引人赞叹，以及它所蕴含的知识是多么丰富。

往期文章：

“利维坦”（微信号liweitan2014），神经基础研究、脑科学、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新，反心灵鸡汤，反一般二逼文艺，反基础，反本质。

投稿邮箱：wumiaotrends@163.com

合作联系：微信号 liweitan2018

一家过去时的书店

长按上图二维码，或点击“阅读原文”进店