為什麼宇宙中大質量星體的形狀總是趨於球形？

人類對地球形狀的認識過程

古代比較盛行天圓地方的世界觀，那時人們憑直覺認為大地是平的，而天空是圓的。

     

其實，在公元前就有人認為地球是圓球的。據記載 ，世界上最早認為地球是圓球形的人是古希臘時期的畢達哥拉斯，不過這在當時完全沒有任何證據可以支持這一觀點。之後的亞里斯多德也繼承和發展了這一觀點，並從科學上給出了一些依據。基於這一觀點，公元前三世紀時的古希臘學者埃拉託色尼根據不同地理位置上日影的長度，結合幾何學知識，首次測量出了地球的周長，並且測量得到的結果與現代的測量結果相差不大。

古羅馬時期的託勒密是天文學和地理學的集大成者，他為地圓說注入了新的活力，此後的大航海時代都要用到他的研究成果。16世紀初，在麥哲倫的帶領下，人類實現了首次環球航行，並確切的證明了地球是個圓球。從提出地球是球形的猜想，到完全證明這個結論，人類花了2000年的時間。

     

在衛星以及現代測量技術的幫助下，人類已經精確測量出了地球的極半徑為6357km，赤道半徑為6378km，兩者相差21公裡。這表明，地球並不是一個標準的球形，而是橢球形，赤道附近要稍微鼓一點。

近現代的天文觀測發現，不僅地球是球形的，金木水火土等其他七大行星也是球形的，太陽、月亮這些天體也是球形的。那麼為什麼這些大質量的星體都趨於球形呢？接下來，科學探索菌來為大家詳細介紹一下。

天體和星球

宇宙包含了一切時間、空間和物質。在宇宙中存在的各種物質，不管他們的形式如何，都被稱之為天體。

     

物質在宇宙間或聚集、或彌散，不管是恆星還是星系、星雲，各種在宇觀層面上處於連續分布狀態的物質結構都可以被稱之為天體。比如銀河系就屬於天體，而銀河系中的單獨一個恆星也是天體。按物質分布的密實程度來分，處於聚集狀態的被稱之星體，處於彌散狀態的被稱之為星雲，呈彌散狀且極其稀薄的物質被稱之為星際物質。星雲和星際物質主要由各種氣體和塵埃構成。有時，天文信號源（射電源、紅外源、紫外源 、X射線源和γ射線源）及地外人造太空飛行器也可以被稱之為天體。

宇宙間天體的形狀各異，像行星、恆星等近似球狀的巨型星體則被稱之為星球，而像小行星、彗星這樣形狀不規則的星體則不能稱之為星球。地球就屬於天體，並且是一顆星球，而且還是已知唯一擁有生命的星球。

     

圓和球的數學之美

圓是最優美的平面圖形，而球是最優美的立體圖形。相傳，畢達哥拉斯就是據此提出地圓說的。那這是為什麼呢？

通過計算，數學家們發現：在所有平面圖形中，周長相等，圓所圍成的面積最大；在所有幾何體中，表面積相等，球的體積最大。此外，圓和球都是對稱的，任意兩個圓或者球都是相似的。

     

為什麼星體的形狀總是趨於球形？

星體的形成源於引力，它的形狀自然也與引力有關。

宇宙始於大爆炸，宇宙中最早的恆星是在大爆炸幾億年後形成的。爆炸初期，宇宙中溫度極高、物質密度極大，經過幾十萬年的膨脹和冷卻，宇宙中分布著由氫和氦構成的氣態物質。

由於質量分布不均勻，導致某些位置引力強、某些位置引力弱，在引力的作用下 ，這些氣態物質發生收縮，並凝聚成團。大魚吃小魚，小魚吃蝦米，質量較大的氣團又會吸引周圍其他質量較小的氣團。長此以往下去，這些雲團核心處的壓力和溫度會不斷升高，最終將會達到發生氫核聚變的條件，於是一顆恆星就這樣誕生了。恆星誕生之後剩下的塵埃盤，則形成了行星以及其它小天體。而構成地球的物質則來源於死亡後的恆星殘骸。

在星體形成時，物質會向著引力中心聚集，邊緣的物質在引力的拉扯下會逐漸向中心移動，直到保持平衡。引力作用於四面八方，假設引力源是個點，那麼在三維空間中所有到定點距離相等的點圍成的就是一個球面，隨著距離的增加，引力作用將以球面擴散開來，離引力源越遠的地方引力越弱。球的表面積為4πr^2，半徑越大、球的表面積就越大，而物理量的密度分布和面積成反比。物質之間的引力之所以和距離的平方成反比，也就是這麼個原理，通常被稱之為平方反比律。

     

當物質在引力的作用下發生收縮時，會受到來自物質內部的抵抗力。當天體的密度及質量過大時，只有當物質以球狀分布時，內部的支撐力與外部的壓力才能保持平衡，天體才能保持穩定的結構，並阻止進一步的坍縮。此時，這個星體便處於流體靜力平衡狀態，恆星之所以能夠維持穩定就是此原因。而形成黑洞的原因，就是因為引力過於強大，物質無可避免的發生了坍縮。

當星體的質量過小，比如小行星，它們的形狀就是不規則的，因為他們不需要達到了流體靜力平衡狀態，就能夠保持結構的穩定。天文學家在行星的定義中，首要的條件就是星體要達到流體靜力平衡狀態，也就是星體的形狀必須是球形，要想達到此標準，星體的質量就必須足夠大。因為只有足夠大的質量，才能產生足夠強的引力，在引力的作用下才能成為球形。

     

地球和太陽究竟有多圓？

前面已經說過了，地球的赤道半徑與極半徑相差21公裡，地球並不是一個標準的圓球，而是橢球。其實，自然界中的星球幾乎不存在標準的球形，幾本上都是橢圓。

     

上圖為太陽系家族主要成員的全貌

在數學中，我們用扁率來描述橢球體的扁平程度，其值介於0和1之間，數值越小越接近圓球。所有的星球都是在旋轉過程中形成的，而旋轉橢球的形狀和大小是由子午橢圓來決定的，若該橢圓的長半軸為a，短半軸為b，那麼橢球體的扁率為(a-b)/a 。通過計算，我們得出地球的扁率為0.0034。

     

說完了地球，來說說太陽。地球是一顆巖石行星，而太陽是一顆體積和質量巨大的、由等離子體構成的恆星。太陽的扁率為0.000009，可以看出太陽非常接近於標準的球，比地球圓多了。

大質量的星體在引力的作用下，總是趨向於形成球體。此外，星球的自轉對它自身的形狀也能夠產生一定的影響。大質量星球的潮汐力還會使小質量星球發生形變。因此，我們在宇宙中看到的星球基本上是橢球體。