太陽系的行星為何大都在同一平面內運動?
樓上說的是對的,我來稍微補充一些信息。為了嚴肅起見,先說一下太陽系內行星運轉的軌道並不是嚴格的同面運動:用地球-太陽軌道歸一化的話可以看到:
那麼回到太陽系的這個扁平系統的十萬個為什麼問題——四個關鍵詞:星雲假說、碰撞、角動量守恆以及呵呵。
首先,基於星雲假說(Nebular hypothesis),我們的太陽系始於一團氣雲,在引力的作用下變得不斷緻密(此處省略幾萬字):圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM如果你覺得不可思議,下面這個NASA的一個Project會讓你直觀的了解:NASA行星研究員Stanley Love在某個周六的上午觀察ISS(國際空間站)上宇航員Don操作使用儲存飲料用的袋子,Don把糖和鹽放到袋子里,像這樣:然後他給袋子充氣,由於袋子里有粒子,發現了粒子立即聚成一團,形成了積塵。當時,Love觀察到這個場景後,大叫到:「You『ve solved a 40-year-old problem in planetary Science!」圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM
儘管我們不知道轉動的具體方向,但是數學上是存在某個整團氣雲旋轉的平面:圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM在三維的空間坐標系中,儘管氣雲的旋轉被給定在某個平面上,但是粒子還是可以在這個平面「上下」跳動:圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM接下來,碰撞就開始了。想像一下這幅場景:
把質心換成太陽,剩下的質量圍繞太陽轉,但是這樣的系統不會維持長久,因為傾斜的軌道1和軌道3上的物體都有垂直運動的分量,他們無可避免的將會遇上軌道2上的物體,這就意味著碰撞。長此以往,這種非彈性碰撞的後果就是消弱垂直的分量,從而形成一篇比較扁的平面:同時,能量在碰撞和聚合的過程中不斷損失,但是整團物質還必須無情地旋轉,因為把太陽系看成孤立系統,會有角動量守恆(https://en.wikipedia.org/wiki/Angular_momentum/):圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM
隨著粒子越來越多的物質聚合,恆星-行星系統的扁平結構就出現了。關於太陽系形成的機制,我推薦《解讀宇宙》第一季的恆星和行星這兩集,還有《宇宙時空之旅》的第一集,科普的很到位。另外,關於角動量守恆,我推薦B站的一個視頻,講解的非常清楚:1個讓你秒懂角動量守恆定律的視頻~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~私貨時間:關於星體運轉的扁平結構,有木有讓各位看官想到一個詞——擇優取向。我知道很多化學系的同學要拍我板磚了(等等,我也是學化學的呀),說我亂扯犢子。學過晶體學的人都知道,單晶生長的一個很重要的概念就是擇優取向,我師兄2014年在伯克利發了一篇用原位透射電子顯微鏡拍攝的鉑單晶納米粒子生長的直播畫面,被Science收錄了,跟大家分享一下:從納米級別的顆粒往外看,動輒幾千公里半徑的天體軌道和天文單位級別的星繫結構或許並不陌生,在MinutePhysics這集的最後,作者就說道:「太陽系開始於星雲的團簇到其間的扁平,未嘗不是一件好事,因為我們正好需要這些物質聚合在一起為了讓恆星還有行星去形成,當然最後還有我們。」
圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM最後,他還是黑了一下國際原子能機構(International Atomic Energy Agency):圖片來自https://www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM裡面的梗自己找哦。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~還有一個角動量守恆的例子
為什麼太陽系內的行星軌道大都是橢圓呢?圖片來自elliptical orbit我知道之前很多大牛已經回答過了,這裡僅提供一個理解角度:根據行星-恆星系統,書上記載說因為行星對太陽的向心力力矩為零,角動量守恆,所以有:數學上一共有三大類四種圓錐曲線:圖片來自Conic section分別是拋物線(parabola),橢圓(ellipse),圓(circle)和雙曲線(hyperbola)根據上面的公式,可以大致知道太陽系內的行星軌道可能的幾種形式:現在來看幾種軌道的偏心率:圓軌道:e=0橢圓軌道:0&這個問題,題主應該看看恆星的形成機制就會明白了,像恆星行星這樣的天體系統,不僅僅是存在著引力作用,還因為他們從一個胚胎而來,而這個過程就是導致題主的問題的原因
這個三分鐘的中文字幕科普視頻講的非常清楚明了,想了解的話請勻出三分鐘時間看一下。
先說結論:因為角動量的原因,對於三維空間星雲和幼年星系來說,扁平化是必然選擇與最終結果。
轉載請註明視頻轉自銀河說(http://GalaxSay.com)
瀉藥。上面有大神寫的很充分,那我就簡單說。本來是星系是一陀塵埃,在自引力下縮成一個個球,由於初始這一陀塵埃有一個角動量,星系形成中沒有外界干擾的話角動量是守恆的,所以造成系內幾乎所有轉動(自轉公轉)都是一個方向。有些偏差甚至相反的懷疑是被人(系外天體)給懟了。公轉確保了這些球不會再坍縮到一起。而沒有轉動的方向上,物質會在引力作用下聚集,所以星系都是盤面的樣子。
太陽系的行星不在同一平面,只是人類想像的而已!
以下為簡單粗暴分析,請結合實際想像
引力波證實空間是實體,可以想像如果有一張紙,重的鐵球(太陽)壓上去會形成凹陷(參考漩渦),四周的高速通過的小球(漩渦邊上的船)如果不改變方向,只會沿著漩渦邊上跑,這裡就能知道第一宇宙速度,第二宇宙速度,超過臨界值才能把自己甩出去;
而這個大鐵球又繞著更大的漩渦(銀河系)中央跑,因此小漩渦(太陽所在區域)也會移動,周圍的小球也只好跟著移動!
又比如太陽系行星基本分布在太陽產生凹陷的1~9個層面的一層,而彗星的層面如:
這裡又可以解釋通彗星的運行軌跡。
實際上從外邊看太陽系,銀河系都不在一個平面上,小的都是跟在大的屁股後面在宇宙中遨遊!
誰說太陽系行星都是在一個平面的?在銀河系視角看太陽系就像一顆帶著一些塵埃的火流星一樣的橄欖型天體。我們平時看的這種圖片都是為了教學方便行星之間的軌道距離也是有很大區別的,有的行星離的很近有的則離開好遠,大小差距也非常大。如果用真實比例尺來畫太陽系估計地球、火星、天王星已經看不見了。
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