宇宙中谁最圆?

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三·太空探索|周四·观测指南

周五·深空探索|周六·茶余星话|周日·视频天象

翻译：马啸然

校对：牧夫天文校对组

后期：胡永葳

责任编辑：王启儒

原文发布于Scientific American

金星凌日。金星和太阳几乎是完美的圆形——实际上，比大多数天文学家已经测量的其他天体更接近球形。

Credit: LinP74/Getty Images

有时候，我的脑子里会冒出一些稀奇古怪的问题，它们盘桓不去，非得让我找到答案不可。有些问题很琐碎，有些则听起来傻乎乎的，不过当我细细思考，便可能带来有趣的启发。

这回，我脑子里蹦出来的问题很直白：宇宙中最圆的天体是什么？

这里的“最圆”是指几何上最接近完美球体的天体——不一定是最光滑的，而是最对称的，也就是表面上每一点距离中心的距离几乎一样。（这正是球体的定义）

许多大块头的天体都相当圆，这并非巧合，而是重力作用的结果。当一个天体通过吸积气体或与其他天体碰撞而不断增大，其质量会不断增大，引力场也随之增强。当引力强大到一定程度，任何凸起的部分都会被压平，最终使得天体变得更加符合球形。你对这件事其实并不陌生：地球上的山脉不能无限长高，否则就会在自身重力下坍塌；在海滩上堆沙子，堆到一定高度就会倒下。这种现象在天文尺度下使得较大天体愈加趋于球形。

当一个天体的尺寸达到大约400公里左右（具体取决于其成分），它往往会开始接近球形。因此，几乎所有比这大的独立天体——从较大的流星体到卫星、行星乃至恒星——基本上都是接近球形的。

那么其中哪些又是最接近理想球体的呢？

我翻遍了各种资料，脑海里闪过一个个我能想到的天体，但最后的结果让我十分意外：答案似乎是太阳——是的，就是我们最近的恒星！

一般来说，恒星非常圆，但即便最圆的恒星也不是百分之百完美的球体。导致恒星偏离理想球形的最大原因是自转，因为自转会带来离心力。

金星凌日。金星和太阳几乎是完美的圆形——实际上，比大多数天文学家已经测量的其他天体更接近球形。

Credit: LinP74/Getty Images

不管你曾经在物理课上听到了什么，但在旋转参考系下，离心力的确是一种真实的作用力。假设你在一辆向左拐弯的车里，你会感觉自己似乎被甩向右边（也就是弯道外侧）。这就是离心力的直观体验。

对于旋转的球体而言，离心力在赤道处最强，因为那里的线速度最高。离心力的大小取决于天体的尺寸以及旋转速度——天体越大、旋转越快，离心力就越大。

太阳很大，这点毋庸置疑：太阳直径约140万公里，放进100多个地球都没问题。但同时，太阳自转非常缓慢，大约需要一个月来旋转一周。这种慢悠悠的自转，正是让太阳在“最圆比赛”中胜出的关键因素。

太阳表面的引力很强，大约是地球的28倍。如果你能站在太阳表面（而没有瞬间被气化），你的体重会是地球上的28倍。然而，太阳赤道处的离心力微乎其微，只是太阳表面重力的0.0015%而已！这就是太阳如此圆的原因。

不过，精确测量太阳的圆度很不容易。太阳并没有像地球那样的固体表面；从核心出发向外看，太阳内部的气体密度逐渐降低。在“表面”附近，密度的下降极其迅速，因此从地球上观测，太阳的边缘看起来清晰分明。但在地球大气扰动下，要精确测量太阳的形状并不容易。于是，天文学家利用美国宇航局的太阳动力学观测台（SDO）——一台在太空中专门观测太阳的望远镜——来进行精准测量。结果显示，太阳的扁率（极半径与赤道半径的偏差）只有0.0008%！也就是说，太阳有99.9992%的完美球度。他们将这一成果发表在了《Science Express》上。

这可真是相当接近完美的圆了。更奇怪的是，他们还发现这个比例不随太阳磁周期的变化而改变。太阳的磁场活动遵循一个大约11年的周期，目前正值磁场最强的时候。但这股强大的磁力似乎对太阳这近乎完美的圆形毫无影响。

不过，太阳系中还有另一个天体也接近同样的圆度——金星。原因类似：金星自转非常慢，大约243天转一圈，这使得其赤道离心力非常小。观测显示金星的极半径与赤道半径在测量误差内几乎无差别。这在原理上可使金星比太阳更圆，但实际上金星表面仍有几公里的地形起伏，从比例上看，就没有太阳那么圆了。（地球的扁率约为0.3%，因为地球自转要快得多。）其他行星也类似，因此金星实际上仍没有太阳那般圆。

用光速前往火星, 要花多长时间?

河鼓二(Image Credit: astrophotographylens)

而有些恒星则可能极其不圆，它们自转极快，导致赤道处离心力极大。比如明亮的恒星河鼓二（Altair），其赤道物质转速接近每小时100万公里！因此，它的赤道直径比极轴直径大出20%。

另一方面，某些天体可能的确比太阳更圆，只是因为离我们太远，我们无法精确测量。例如中子星，它们堪称“最圆天体”的有力竞争者。中子星是大质量恒星在超新星爆炸后塌缩形成的小小中子球，直径仅有二十多公里，但密度极高。中子星的表面引力比地球强数十亿倍。

中子星

Credit: ESA

有些中子星自转极快。例如，编号为PSR J1748-2446ad的中子星，每秒旋转716圈！这比你家厨房搅拌机的刀片转速还快。在这种情况下，即使以中子星的高密度和强引力，赤道处的离心力也几乎快要把星体本身给撕裂了。

不过，随着时间推移，中子星会减速。一颗诞生于宇宙早期、现在已几乎停止旋转的中子星，其极端的表面重力足以将其压缩到几乎完美的球形，可能其极半径与赤道半径的差距仅是几个原子宽度的程度。不知天文学家将来能否找到这样一颗完美的中子星——也许吧，当他们抽出时间开始认真寻找的时候。

其实，这个话题不只是玩笑。我们很难直接探测许多天体的内部结构，因为我们既不能亲临现场，也无法在实验室中重现那样极端的高压高温环境。通过精确测量像太阳和行星这类天体的形状，我们可以更深入了解它们内部发生的物理过程，以及它们的运行机制。

天文学家喜欢解答这类问题——哪怕一开始听上去有些傻气。这其中的乐趣在于提出问题，而真正的收获则在于寻找、乃至找到答案的时候。毕竟，这才是真正“圆满”的时刻。

————— END —————

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

迫不及待

来源: Reddit

谢谢阅读