為什麼星球都是球形的?


@Zean總結的很形象:一句話
你站在星球上 突出來的是高山(或凹陷的峽谷) 太高就塌了 塌到各處和引力中心距離一樣(相差不多)就是球形
-----------------------------------------------
謝謝邀請,類似的問題較多,這也是過去很多人關注過的,天文學專業論文也專門探討了,原理比較簡單,就是力的相互作用:
萬有引力的確是重要的因素,但一個巴掌是拍不響的,同樣重要的是電磁力。由分子或離子構成的物質之間的的擠壓、拉伸、膨脹等等大多是電磁力和萬有引力以不同形式在作主導。

以地球為例,假設這樣的情況,地球上存在一個H那麼高的正方體突出部分(以石英岩石為例):

在地面與這個突出部分交界的地方,受到的力主要是地球引力造成的壓力和岩石之間的斥力,在它們剛好可以平衡的時候,這個H在理論上是這麼高:

(注意:對於不同的形狀,某些參數是不同的;對於不同的分子類型,某些參數是不同的;公式中的g是重力加速度,每個星球的g不一樣)

26公里!
如果突出部分不是正方體而是其他形狀,其作用的基本原理不會改變,只是H這個數值會有些許變化。我們可以拿26公里作為一個大致的參考,一旦超過這個高度,晶體的結構便無法支撐住巨大的壓力,岩石將被「液化」(山就要塌了)

因此,顯而易見,即便地球早期形成時具有不規則的外形,隨著時間的推移,高低落差都會隨著地殼流動而日趨平緩,最終各地的差別都在26公里以下,使得星體呈現為球狀

不過要提到的是,星球上不僅僅是固體物質,而是固、液、氣、等離子體所共存的;比如,地球表面有山有海有大氣層,木星表面主要是氣態和液態物質,太陽表面是等離子氣體及流體殼層。算上所有物質,星體的形狀就更不是完美的球體了,但看上去變化並不大。
此外,星體自轉、受伴星的引力作用、與小行星撞擊以及地殼運動等等因素也會對其形狀造成影響,但主要因素還是上面提到的引力與電磁力的相互作用。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
目前觀測可知,地球兩極與赤道處的地殼表面平均半徑相差約20km;地球本身也是高低不平,但是地面海拔最高的地區也不過9km,最深的海溝也才11km,相比於6400km的地球半徑,這點起伏根本算不上什麼,因此遠遠看去地球就是個球形

而重力加速度g較小,由金屬和岩石構成的灶神星(572.6km?×?557.2km?×?446.4km,相差100公里以上)則大致是個不規則的橢球狀:

而更小的小行星,形狀就更可愛啦,比如「愛達」:

... ...
那麼,會不會有五角星、六角星或者棍子等等奇形怪狀的行星呢?
當然可以有!只不過你看,小行星上的坑坑窪窪,是經歷撞擊留下的證據!於是,那些年可能存在過的稜角和棍棍,都會被撞得七零八碎,還沒來得及被我們人類拍攝到就沒了
... ...另外,處於星際中的瀰漫狀態的天體,如星雲,大多都不是球形,其中的原理是一樣的,其形狀受周圍的環境(如噴發、碰撞、融合等等)影響較大:

以上關於引力和電磁力的簡單討論,還適用於我們的太陽,以及像太陽這樣還在發光的恆星們;
而對於更加緻密的白矮星、中子星來說,則要考慮萬有引力量子統計效應——電子簡併壓和中子簡併壓之間的作用,以及星體的快速自轉。結果是類似的:光滑的球或橢球;
至於黑洞,目前無解。
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
參考:
維基百科---小行星、地球、太陽、星雲、灶神星
Victor F.Weisskopf(1975,Science)


這裡我將嘗試用最簡單的方式來回答這個問題。

回答這個問題的關鍵詞是流體靜力學平衡(hydrostatic equilibrium)。看起來是一個令人望而生畏的專業辭彙,不過理解它其實只需要中學物理知識。

下面這一杯水處於平衡狀態,也就是說,每一滴水都是靜止的(這裡不考慮分子熱運動)。牛頓第一定律告訴我們,裡面的每一滴水受到的合力都是0。

考慮其中一個很小的水塊,它受到的力包括上下左右四個方向的壓力。由於它受到的合力為0,所以,在垂直方向和水平方向的兩個力都是相等的。同時,流體的特性告訴我們,其實這4個力都是相等的:它們等於這個水塊上面的水的重力。

為了讓討論變得簡單,這裡對實際情況作了很多簡化。比如,因為這個水塊很小(可以認為它無窮下),我們忽略了它自身的重力;水中的壓力來自三維空間的所有方向,這裡我們把它簡化為二維空間中的上下左右。

如果水面不平,它對下面的水塊會有什麼影響呢?

考慮圖中的同一水平高度上的三個水塊。水塊A和C都對水塊B產生水平方向的壓力,而這個壓力等於它們(A和C)上面的水的重量。在水面平整的前提下,A和C對B的水平方向壓力是相等的,所以B在水平方向上保持靜止。

現在水塊C上面不知道為什麼多了一團水。當然,在真實情況下,這團多餘的水很快就會向兩邊流動,讓水面恢復平整。但是這裡我們先不考慮它自身的變化,來看看它對下面的水塊有什麼影響。

水塊C受到的壓力顯然大於水塊A受到的壓力了,那麼C對B的水平壓力也相應的大於A對B的水平壓力。這時,水塊B就無法保持靜止了,它會向左邊移動。

這裡我們只分析了水塊B的受力和運動情況。實際上,這杯水是由無數水塊組成的。在水面上產生額外的壓力的情況下,這樣的受力變化和運動發生在每一個水塊上面。所以,大量的水塊都會在這個壓力作用下向四周運動。你很容易想像這種運動的結果是什麼:讓那個多餘的水塊下落,最後讓水面恢復平整。

講了半天好像還沒有提到星球。下面我們就來看看一個星球的例子。假設有這麼一個完全由水構成的行星,我們也可以認為它包含著無數無窮下的水塊。

現在這個星球並不是球形的,比如,水塊C上面多了一團水。用上面相同的方法分析我們會得到相同的結果:這團多餘的水會破壞下面水塊的平衡狀態,從而把它們擠開,騰出空間讓這團水落下來。

你可以嘗試不同形狀的水星球,比如立方體,正四面體,橢球體等等,然後用上面的方法分析。你會發現這些形狀都無法讓星球中的所有水塊達到受力平衡狀態。結果是,水塊在受力不平衡的情況下會運動,最後找到一個唯一可以讓大家都相安無事的形狀——球形。

上面回答了一個液體星球為什麼必須是球形的。像地球這樣的岩質行星是由強度極高的固體構成的,為什麼也是球形的呢?原因很簡單,在極高的壓力下,像岩石一樣的固體也會表現出液體的特性。比如,山脈會摺疊而不會折斷,地幔甚至會用對流的方式傳遞熱量。

圖片來自Folded Rocks

讓固體產生流體的特性需要極高的壓力,在星球內部,這個壓力來源於自身的引力,而引力來源於質量,所以,只有質量達到一定限度的星球,才會變成球形。同時,一個星球能否達到流體靜力學平衡狀態,也和構成這個星球本身的材料有關。

星球內部的物質受到的壓力來自於它上面的物質的重量,所以,這個壓力是隨著深度逐漸增加的。這就意味著星球表面的物質受到的壓力很小。這個事實就允許岩質行星的表面不必像水面那樣平整。它可以有高地,平原,山脈和深谷。

即使不考慮表面的各種地形,星球也很少有完美的球形。由於自轉的原因,其實它們大多數是橢球體。我們回到前面的水行星上來討論這個問題。在一顆自轉的水行星上,所有的水塊都在以相同的角速度運動,但是它們的旋轉半徑不一樣。

根據向心力公式:
F = m r w^2
可知,圓周運動的向心力是和半徑成正比的,所以,距離自轉軸越遠的地方(如地球的赤道),向心力就越大。如果我們比較赤道附近和兩極附近的水塊,可以看出,如果它們上面有一樣多的水,它們受到的壓力是不一樣的。因為,赤道上的一部分壓力被用來做維持圓周運動的向心力了。要讓所有的水塊達到受力平衡狀態,赤道上的水塊上面需要有更多的水。也就是說:只有橢球形才能讓所有的水塊達到受力平衡狀態。

如果自轉速度太快的話,一顆行星可能會變成你意想不到的形狀。請看:為什麼好多天體最終變成了球體而不是別的形狀? - Mandelbrot 的回答


球形,不是圓形。

不是所有都是球形。小行星重力小,五花八門的形狀都有。只有團到足夠大團了,稜角就因為無法支撐自己而塌了,最終趨向於球形。球形的勢能低。


火衛一火衛二表示不服~~


小行星:我愛咋地就咋地,長成啥樣都可以。

行星:我長成方的啊哼。
引力:抽你一大嘴刮子,抽,抽,抽……
行星:我還是乖乖變成圓的吧……


如果是方的,你們又會問為什麼是方的,可它總得有個形狀吧!——被問煩的上帝如是說。


木秀於林,風必摧之。


通常直徑超過500km的岩質星球會在足夠重力的影響下變成球體,足夠的重力會將地表落差較大的地形拉平,變為較為平坦的地形


球面表面張力勢能最小


可以查閱一些相關資料

參考文獻:高中物理必修一


質量相同的情況下,球形的物體勢能最小


星球:「我 TM 是星球啊!球啊!(╯°□°)╯︵ ┻━┻」


我記得當年某幫主說過,因為它不叫星棍( ????? )


如果是正方體形的你又得問為什麼都是正方體形的,它總得有個形狀吧


假設一個星球的核心物質為無限小 但是此核心物質有足夠的引力 其引力範圍內的物質自然聚集 就是球體了


謝邀。從熔岩冷卻後能形成平面,從太空看形成了球面的現象,可以說外形大致呈球形的星體,都經過高溫熔化為熔岩而後逐漸冷卻的過程。球形越標準,則熔化的越徹底。


因為無論是萬有引力還是電磁力,都各向同性,證畢


其一,水在太空中會變成球形水滴,二者可以類比;其二,如果不是球形,表面就會受力不均,力是改變物體運動狀態或形狀的原因,內力不能改變運動狀態,所以就改變形狀,大致就是這麼個道理。不過星球也不是標準的正球形,這個就原因太多了


流體靜力平衡導致的。
在星體超過一定尺度後,剛體力不足以抗衡引力。非球體的星體各處引力不均,結構是不穩定的。最終將在引力作用下凝聚成一個球體。
在太陽系的,這個尺度以上是矮行星,行星,部分衛星,太陽。以下是小行星,慧星,小型衛星。


我想說,只是因為宇宙中均等的壓強(影響不大)和萬有引力的影響吧。
用廣義相對論來解釋,就是萬有引力使物質聚集到一起,聚集的物質中含有一個奇點,也就是星球中物質所受奇點引力與奇點的距離應該都是相等的(排除密度影響)。因為物質密度差距不大,因此我們很少看到橢圓的偏心率極高的星球
我讀書少,你別騙我


推薦閱讀:

影片《地心引力》為什麼設計主角最終選擇中國的天宮和神州飛船逃脫?
月球到底是如何形成的?
為什麼好多天體最終變成了球體而不是別的形狀?
如何理解:「引力波不是能量在空間中傳遞所行成的波」?
宇宙里可不可能存在和星球(地球,火星,太陽)這麼大的級別的生物?

TAG:物理學 | 天文學 | 天體物理學 |