什麼力量推動了行星、恆星、黑洞自轉公轉,而且一直轉動下去?

2020-12-15 時空通訊

在宇宙天體宏觀上起作用的主要是引力,行星、恆星、黑洞旋轉都是在引力作用下形成的。

迄今為止,我麼這個世界或者說我們這個宇宙,支配其運動的只有四種基本力,即強力、弱力、電磁力、萬有引力。

強力和弱力主要作用在極小的微觀範圍,一般在原子核以下起作用。

電磁力和引力一樣,是長程力,理論上可以作用無限遠,這種力充斥在我們生活周圍,幾乎所有以生活和工作有關的事情,都是電磁力起支配作用。

吃飯拉屎放屁走路坐車飛行手機無線電波等等,都是電磁力,各種聲波也是電磁力。

130多億光年距離的星系我們能夠觀測到、接收到它們的光和各種電波射線,也是電磁力的作用。

而且電磁力的力度很強,強度僅次於強力,是強力的1/137,其傳遞媒介是光子,所以我們看到的一切,都是電磁力作用的結果。

引力也是長程力,理論上作用無限遠。人類發現的第一縷引力波就是從13億光年遠的距離傳來。

量子力學認為,傳播引力的媒介是引力子,但迄今為止只是猜想,尚沒有得到證實。

但引力是四種力中最弱的力,與強力和電磁力甚至弱力的強度完全不可同日而語,相差太遠。

引力的強度是強力的10^-39分之一;是電磁力的約10^-38分之一;是弱力的約10^-24分之一。也就是若干億億億億分之一和億億億分之一。

因此引力雖然「萬有」,也就是我和你之間、人和房子桌子等物體之間、甚至螞蟻與螞蟻之間都存在萬有引力,但由於這個力太小太小,就感覺不到。

但在宇宙天體大質量和大尺度之間,這個引力就充分顯示出來了。

所有的天體都受引力支配和約束。

引力大小與質量成正比,與作用雙方距離平方成反比,表達式為:F=GMm/r

式中,F為引力值,單位牛頓(N);G為引力常量,取值6.67x10^-11N·m/kg;M和m為引力相互作用大小天體的質量,單位千克(kg);r為相互作用天體之間的距離,單位米(m)。

從大的方面來說,整個宇宙膨脹是在暗物質、可見天體、暗能量的引力和張力之間獲得平衡,但暗能量的張力更有優勢,所以宇宙膨脹依然在高速進行。

從星系、恆星等天體來看,由於引力約束在一起,並圍繞著引力源公轉。

那麼啟動行星、恆星、黑洞的旋轉之力是怎麼形成的呢?

前面說了,萬有引力就是任何物體之間都存在著引力,引力的本質就是質量對周邊時空形成的扭曲。

過去有關時空扭曲與引力的關係已經多次闡述過,這裡就不多講,有興趣的朋友可以查看時空通訊原來發表過的這類文章。

任何物體也包括分子和原子之間。而我們這個宇宙中所有可見的天體形成都有一個祖宗,就是分子雲。

而分子雲的直接兒子就是恆星。所以宇宙中的一切天體都是從恆星開始。

一些以光年計的巨大分子雲團在自身引力作用下,會慢慢聚集收縮,遇到超新星大爆炸等宇宙事件的擾動,收縮就會加快。

分子雲並不是一個完美的圓形或者質量分布很均勻的形狀,它們就像我們看到天上的白雲,沒有固定形狀。

因此分子雲在收縮過程中就會發生不平衡,有的地方收縮快,有的地方收縮慢,這樣,就會漸漸形成了緩慢的轉動。

所以,最開始的轉動是由於引力導致收縮的不平衡而發生的。這種轉動方向是隨機的,但一旦轉動起來,就有了方向,在茫茫太空接近真空環境中,就沒有什麼力量能夠阻止了。

這樣角動量就形成了,根據角動量守恆定律,物體收縮的越小,轉動速度就會越快。

我們看到的冰山芭蕾,表演者開始伸開手和腿大幅度旋轉,速度就較慢;但她把手和腿收縮起來,身體就旋轉的越來越快。

在地球上,冰山芭蕾的旋轉受到空氣阻力和冰鞋與冰的阻力,終於會停頓下來;在太空沒有阻力和外力狀態下,角動量是守恆的,永遠也停不下來。

因此,天體的旋轉只會越收縮越快。角動量相關理論摘要如下:

角動量就是指物體到原點的位移和動量相關的物理量,在經典力學中,被定義為原點(參考點)到物體質心位移(矢徑)與其動量的叉積。其表達式為:L=rxp=rx(mv)=mrω=Iω式中,L表示角動量,r表示半徑大小,v表示線速度,p表示動量,I表示慣性張量,ω表示矢量。角動量守恆是物理學的普遍定律之一,反映質點和質點系圍繞一點或一軸運動的普遍規律。角動量守恆定律如果合外力矩零(即M外=0),則L1=L2,即L=常矢量。這就是說,對一固定點o,質點所受的合外力矩為零,則此質點的角動量矢量保持不變。這一結論叫做質點角動量守恆定律。

分子雲在引力作用下,向中心形成塌縮之勢。星雲收縮的越來越小,旋轉就越來越快。旋轉形成了離心力,離心力使旋轉方向穩定並形成自轉軸,與自轉軸呈90度形成赤道,物質向赤道甩出,形成了巨大的恆星吸積盤。

關於離心力的相關理論摘要如下:

相對轉動的非慣性系中的物體,所受離心力為F=mω^2r(其中ω表示非慣性系自身轉動的角速度)。需要注意的是,該離心力方向為沿半徑背離圓心。F=a*mF——離心力;a——向心加速度{a=ω^2*r=(v^2)/r=[4*(π^2)*r/T^2};m——物體質量。(F=a*m本身是牛頓第二定律的公式的應用)(在上式中ω指物體圓周運動的角速度,r指物體圓周運動的半徑,T指物體圓周運動的周期,π指圓周率)

當中心物質坍縮擠壓到一個臨界點時,比如太陽中心壓力達到3000億個大氣壓,溫度達到1500萬K,就會點燃氫核聚變。

就是在強大的壓力和溫度下,把氫原子核外層電子擠跑了,剩下的原子核就會融合在一起,4個氫核聚合一個氦核,並釋放出巨大能量。

核聚變的巨大張力抵消了質量向中心坍縮的壓力,一個巨大的穩定的等離子球就形成了,它不斷的向太空輻射著巨大的能量,這就是恆星。

這就是恆星旋轉推動力的來源,也是恆星一生成就旋轉的動因,而且恆星就一直這麼旋轉下去,指導死亡,再把這種角動量傳承給它的屍骸~白矮星、中子星、黑洞。

恆星形成時會吸附掉整個星雲中絕大絕大多數的質量,比如太陽就吸附掉形成太陽系這坨星雲99.86%的質量。

剩下的一點邊邊角角殘渣餘孽就會形成行星和矮行星,以及大大小小的小行星、彗星、星際塵埃。

地球等行星就是通過瓜分這一點點殘渣而形成的。除了太陽本身,所有的太陽系天體加起來才佔有0.14%的質量,而這點質量又被木星佔去了0.1%,其他七大行星帶上所有的大小天體才佔有太陽系的0.04%,地球只瓜分了0.0003%,可憐不?

這些天體都是在旋轉著的吸積盤中形成的,繼承了吸積盤的角動量,因此一形成就天然具有圍繞著太陽公轉的屬性,而且軌道基本都在圍繞著太陽赤道形成的黃道面附近。

每顆行星的自轉一般也繼承了吸積盤的動量,但在形成過程中,由於受到形成過程與其他天體摩擦碰撞的影響,自轉就有快有慢。

行星在形成過程中,主要的方式是聚集吸收軌道中的各種碎片和塵埃,因此也可以說是在撞擊中滾雪球似的越滾越大的,最終把軌道空間的各種「垃圾」都清理乾淨了,行星就形成了。

在這個過程中,各種撞擊都會發生,這些撞擊不但影響了行星的自轉速度,還會影響主轉軸的角度,這就是各種行星形成後自轉軸的角度不統一的原因。

行星在形成之後,還會有一些軌道不穩定的小行星甚至行星不守規則,飄來飄去,一旦發生撞擊,就會影響行星的運行和自轉軸傾角。

如我們地球,在40多億年前誕生初期,就與一顆相當火星大小的行星相撞,這顆被科學家叫做「忒伊亞」的行星大部分質量都融入了地球,增加了地球約八分之一的質量,而和地球巖漿一起飛到太空的部分質量,最終凝聚成了月球,從此地球形成了地月系統,相依相伴到如今。

地球與「忒伊亞」驚天動地的一撞,把地球的自轉軸撞歪了,與黃道形成了一個66°34『的夾角,這樣地球赤道就與黃道有了一個23°26』的夾角,從此太陽直射在地球上的位置就在一個回歸線上下移動,冷暖有了變化,廣大地域形成了一年四季春夏秋冬的氣候。

而且由於地月系統形成的引力潮汐作用,使大海有了漲潮落潮,大氣流動更為活躍,為生命的孕育和生存創造了良好條件。

沒有這一撞,就沒有地球上如此熱鬧豐富的氣候,或許生命就不會產生。

無獨有偶,天王星的自轉軸傾角是八大行星中最大的,基本是躺在軌道上打滾。

天王星的這種運行狀態,有研究認為是被巨大的行星撞倒的,有科學家經過計算,要把天王星撞成這個樣子,這顆行星至少有地球2倍大。

現在天王星像個頑皮的孩子,或者說像農村早期的碾子,自轉軸躺在軌道平面上,圍繞著太陽公轉,自轉軸與黃道面傾斜角度達到98°。

天王星圍繞著太陽公轉一圈需要地球年84年,由於天王星這種自轉方式,兩極就交替對著太陽半年,這樣這顆星球的一面就有42年地球年時間對著太陽,42年背著太陽,也就是42年白天,42年黑夜。

由於行星生成過程以及後期的一些不確定性因素,各個行星自轉軸與軌道面交角都不同,除上述地球、天王星外,其餘行星赤道與軌道面也就是黃道的交角為:

水星28°,金星177 °,火星23.98°,木星3.08°,土星26.73°,海王星28. 8°。

黑洞的自轉及其自轉軸是繼承恆星角動量而來。

現代天體物理學認為,質量大於太陽30倍的恆星,演化到末期發生超新星大爆炸,大爆炸會把恆星未燃燒完的大部分物質拋散到太空中,這些物質會形成再生分子雲,等待時機形成新的恆星。

而剩下中心核心的小部分質量,會在極端壓力下坍縮形成黑洞。

根據角動量守恆定律,巨大的恆星在大爆炸前是旋轉的,大爆炸後的黑洞將繼承其角動量,而且體積變得極小,由此轉動就變得極快了。

黑洞是天體物質被壓縮到自己質量的史瓦西半徑以內,最終墜落到中心無限小的奇點上而形成的。黑洞根據質量大小,會在周邊形成一個無限曲率的引力場,這個無限曲率範圍就叫史瓦西半徑。

史瓦西半徑的計算公式為:R=2GM/C

式中,R為史瓦西半徑,單位米;G為引力常數;M為天體質量,單位千克;C為光速,取值約300000000米/秒。

根據奧本海默極限理論,最小的黑洞約在太陽的3倍以上,根據公式計算,一個三倍太陽質量的黑洞史瓦西半徑約為8856米。也就是說3倍太陽質量的黑洞會在半徑8856米一個球半徑範圍具有無限曲率,任何接近落入這個範圍的物質都會有去無回,連光也被吞噬。

所以黑洞是看不見的,人類只能在史瓦西半徑之外的邊際,這個地方叫事件視界,在這個地方可以看到黑洞巨大引力場對周邊天體物質的影響。

這些物質在巨大引力作用下,排著隊被黑洞吞噬,這個隊形就是圍繞著黑洞形成一個高速旋轉的吸積盤,旋轉線速度會達到光速一半以上,甚至接近光速。

這個速度就是繼承了原來恆星的角動量得到的,自轉軸和赤道當然也是這樣來的。

所以一切天體的公轉和自轉以及自轉軸的形成都是引力導致的。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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