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為什麼太陽系中的行星都在一個平面?這其實是一個隨波逐流的現象。如果站在銀河系之中,太陽系之外,望向太陽系,你會發現太陽如同一個巨人帶著一幫熊孩子在奔跑。
圖:太陽系在銀河系中運動
那麼太陽系是怎麼來的?
太陽系的主心骨是太陽,它幾乎佔據了整個太陽系的質量,只留下0.14%的殘渣廢料構成了太陽系的其他部分,包括了我們八大行星。
圖:太陽系恆星和行星的大小比例示意圖
而原料則來自於一朵較為集中並且巨大的雲,由氣體和塵埃組成,裡面包含了構建太陽系的所有原材料。在寂靜的宇宙中,這朵雲安安靜靜地漂浮著。我們能從太陽系行星所含元素中大致推測出這朵星雲的物質構成,但是我們無法推測出它的形狀,甚至是它是如何形成太陽系,因為成型的原因有很多。
圖:哈勃太空望遠鏡拍攝——馬頭星雲
或許是遠處超新星的爆炸,能量的釋放擾動了它,又或許是遠處一顆流浪星球的經過,又或許是遠處同樣有一朵雲輕輕地飄了過來,又或許由於不規則的性質,造成了物質的密度差使高密度區開始逐漸吸收附近的物質,形成了太陽的雛形,總之這朵雲開始聚集,越是聚集,質量越大,引力也就越大。
在一個圓形的操場中有四條跑道,同樣的速度跑內圈肯定跑得圈數多,跑外圈肯定圈數少,或者我們也可以這樣理解,跑內圈轉得快,跑外圈轉得慢。
最初的這朵巨大無比的雲,覆蓋了大量面積,在銀河系慢慢地飄著,由於高密度區域的出現,星雲中的物質逐漸向內靠攏,就如同從「外圈」,進入了內圈,高速旋轉。
(註:跑道只是個通俗版本,實際上涉及到了引力加速度、擾動、離心力、科裡奧利力及角動量守恆。角動量守恆費曼的例子很生動:花樣滑冰選手為什麼越轉越快?一開始它伸展手臂,抬起一隻腿,慢慢的旋轉著,然而隨著她把手臂和抬起的腳往回收,隨著身體在空間內越集中,她旋轉的速度就越快)
由於引力的作用,星雲開始縮小,物質高速旋轉,其中大部分物質都聚集到最中心形成球體,由於角動量的緣故這個球體也在高速自轉著,至於少量的產於在外圍繞著中心球體旋轉。
圖:原行星盤,太陽與物質
此時,太陽外層軌道的物質(還不是行星)並不在一個水平面上,它們或許是這樣的:
圖:沒有離心力與向心力作用的軌道
但還有一個因素要考慮,由於物質高速旋轉會產生向心力與離心力用,因此,物質應該朝向太陽的中心旋轉,也就是太陽的中心,所以物質看起來應該是這樣的:
圖:初期物質軌道
這樣的狀況也不會持久,不在水平面上的物質由於軌道傾斜,在旋轉過程中會上下運行,穿越水平軌道,在通過水平位置時會與水平軌道上的物質產生碰撞。隨著時間的推移,非彈性碰撞會逐漸減弱向上及上下的運動速度,最終乖乖地待在水平面,於是我們終於有了一個大概的平面,就像這樣:
圖:達到同一平面
時間接著推移,這個平面上的小粒子隨著旋轉會相互間碰撞,在引力的作用下慢慢聚集成更大的物體,最後「吃掉」軌道上所有天體,形成行星。
圖:行星的形成
當然,在這個過程中或許會飛來系外天體被太陽系俘獲。因此如果發現一個物體不在這個平面上旋轉,並且與其他行星方向不同,那麼可能就不是在太陽系中形成的。
圖:冥王星任重而道遠
九大行星是我們以前小時候學的老皇曆,冥王星之所以被踢出九大行星就是因為我們上面說到的它並沒有吃掉軌道上的其他天體,它處於柯伊伯小行星帶,在帶中還有一些大個頭、大質量的天體存在,一道不容二星,因此我們現在是八大行星。
還有一個問題,恆星的誕生!
圖:核聚變——太陽誕生(太陽星雲極其龐大並沒有那麼小,圖有點出入)
太陽隨著物質的聚集,質量越來越大,中心的引力的逐步的攀升,物質在核心相互擠壓碰撞達到一個極高的溫度和壓強,引發了核聚變反應,一顆恆星誕生。
圖:氫核聚變反應
總結
太陽星雲由於高密度區的出現開始利用「引力」吞噬星雲,星雲物質由外到內,由於角動量守恆等因素高速旋轉,傾斜角不同的軌道物質與以原星雲物質聚集的初始水平面(物質最多)進行不斷地碰撞與緩衝下,達到了同一水平面。