很多人估计都有过这样的疑问,为什么宇宙中的大型天体看上去都是球星的呢?无论是地球的卫星月球,地球本身,太阳等等,从太空深处观察,这些天体都呈现出近乎完美的球形状态。虽然像月球、地球这样的固态星球,其表面也会拥有坑坑洼洼的地形地貌,但是表面的这种崎岖不平的落差,从星球的整体直径来看,比例是相当小的,所以基本上可以忽略。造成质量较大星体呈现球体状态的原因,根本上是“流体静力平衡”所造成的。
流体静力平衡
设想一下,我们向一个坑内注水,水在重力作用下将一直向着坑内的最深处流动,如果水的量足够多,则最终会将坑注满。如果将地球看作一个巨大的容器的话,一直向里面注水,那么,水则会一直流动地球的质心(接近于几何中心),然后逐渐向外扩散,直至装满整个地球。由于在地球表面,水所受到的引力作用相同(不考虑地球自转的形变),那么地球将会呈现出一个完美的“水球”。
在物理学家,有一个概念来表征这种球形物质所受力的情况,那就是“流体静力平衡”,它的根源是由万有引力产生的,当万有引力引发的压力,与压力梯度形成的相反压强梯度力之间形成平衡状态时,就达到了一种稳定的状态。无论是对于气体、液体还是固体的物体来说,只要质量够大,那么就会形成这种“流体静力平衡状态”。
由于中心在几何中心的形状物体,在自转时各个部分所受的力是均匀的,所以能够呈现出比较稳定的状态。所以,达到平衡状态,既与物体本身的质量有关,也有物体的自转速度有关,同时也与组成物体的材料性质有关。在自转时,物体组成各个部位所受的万有引力,充当了自转的向心力,如果向心力超过了天体组成物质所能承受的极限,那么多余的部分将会被甩出去。因此,处于运动和自转状态的天体,都是在特定的转动速度、特定的物质组成和相应的质量三个方面,综合作用的结果。
像处于火星和木星之间的小行星带,内部含有数不胜数的小行星,这些小行星由于绝大部分的质量都较小,所以不能达到“流体静力平衡”的状态,因此外形上真是五花八门。而一旦天体的质量增加到一定程度,那么这些天体将会升级为矮行星、行星以及恒星等级别,外形上也越来越接近完美球体。
地球算不上完美的球体
如果排除地球因自转造成的赤道直径和两极直径的微小差异,考虑到地球岩石圈层的不同厚度、结构组成以及复杂的板块碰撞、地质等作用,地球的表面也存在着众多高山、丘陵、平原、海沟、裂谷等地貌。
地球上,最高海拔的珠穆朗玛峰和最深的马里亚纳海沟的高度差,将近有2万米之多,与地球1.2万多公里的直径相比,这点高差似乎不算什么。但是,从这点来看,地球还远远称不上宇宙中最完美的球体。
中子星是完美的球体吗?
中子星是一类大质量恒星在生命末期,因重力坍缩后所形成的致密天体。在强大引力作用下,原子核外的电子都被压进原子核中,并且与质子结合形成中子,由中子简并压支撑着物质的进一步坍缩。
在正常情况下,原子核外的电子分布区域,要比原子核的实际尺寸“广阔”得多。不过,在中子星的内部,由于电子都被压进了原子核,所以原子内部的“空隙”基本上就不存在了,因此中子星的质量很大,一般为太阳质量的1.4-3.2倍之间,但体积非常小,通常只有10公里左右。
可以想象,如果我们能够从中子星上“挖”出一勺物质来,其质量可以达到惊人的数亿吨之巨。按照万有引力定律,在中子星的表面的物体,由于中子星本身巨大的质量、半径很小,所以受到万有引力的强度是非常恐怖的,同样的物体,在中子星表面与在地球表面相比,受到的引力,前者将是后者的40万亿倍。
在如此巨大的引力作用下,中子星是否能够形成一个完美的球体呢?可能也要让大家失望了。南汉普顿大学的研究团队,近期利用计算机模拟的方式,验证了之前科学们提出的中子星表面存在微弱拓扑变形的猜测。通过模拟,呈现在人们面前的是,直径10公里左右的中子星,其表面“隆起”的山脉,高度仅有1毫米。
从某种意义上来说,这些“隆起”根本称不上山脉,但是与其它区域完全平坦的状态相比,我们姑且认为这是山脉吧。这个“隆起”的程度与星体直径的比值,与地球相比,要低好几个数量级,已经非常接近完美的球体状态了。
最完美球体,必须看“黑洞”了
黑洞可以说是宇宙中最特殊、最奇异的天体,它是通过爱因斯坦广义相对论推倒出来的天体,近年来科学家们也通过特殊的方法证实了它的存在。由于黑洞巨大的质量,使得中子简并压都不能支撑天体的坍缩,使得物体无限向“质心”处坍缩,就连光线都无法从黑洞内部中逃逸,因此黑洞也成为宇宙中最为恐怖的天体,任何靠近并且进入到事件视界的天体,都将被无情地“吞噬”掉。
黑洞可以说,是一个完全被引力控制的空间区域,在黑洞的内部及其事件视界上,引力在各个方向上的作用都是相同的,在黑洞的内部,将会把所有物质都拉向中心的“奇点”,从而对外表现出一个非常浑圆的事件视界。所以,黑洞从空间形态上看,应该是一个球体,而且应该是宇宙中无限接近球体、最完美的球形天体了。
从目前人类对宇宙的探知来看,应该还没有能达到黑洞这样完美球体程度的天体,中子星由于质量和引力作用,距离黑洞还有质的差距,因此只能屈居第二。
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.