土星環、原行星盤、吸積盤——為什麼這些盤如此常見?

2020-11-26 天文在線

圓盤在天文物體中很常見:巨行星周圍的環行星,尤其是土星;年輕恆星周圍的圓盤;還有圍繞著中子星和黑洞的圓盤。為什麼這些盤如此常見?首先我們通過一個簡單的解釋來說明,然後再更詳細地進行解釋。

假設許多小巖石圍繞一個中心點旋轉,且軌道相對於彼此傾斜。如果兩塊巖石發生碰撞,垂直運動將趨向於抵消(當它們撞擊時,其中一塊巖石向下運動,另一塊向上運動),但是,因為它們都繞著中心點在大致相同的方向上運行,當這些小巖石碰撞時,它們通常是以相同的方向「水平」移動。

在足夠長的一段時間內,巖石之間將發生許多碰撞以致於巖石間失去「垂直」運動——平均垂直運動將接近於零。但是圍繞中心點的「水平」運動(即圓盤)將會保持。

更詳細的解釋建立於以下設想:假設一種由橡膠球(分子)組成的「氣體」,它被組織成一個巨大的繞圓柱軸旋轉的圓柱體。讓我們來做一些符合天體物理學的假設:

—角動量守恆定律和線性動量保持定律(這是基本的,經過牛頓力學的良好測試)。

—這個圓柱體氣缸是由重力聯結在一起的,所以這些氣體不僅僅消散於真空區。

—每個球的主要圍繞圓柱體的軸運動,但每個球也有一些隨機運動,所以球在運行時偶爾會互相撞到。因此,整個系統的角動量之和不為零,但線性動量的和是零(相對於整個圓柱形氣缸的質量中心)。

—這些球不是完全有彈性的,所以球之間的碰撞會導致其產生的部分能量加熱每個球。

現在,假設球在兩個方向上運動:垂直或平行於圓柱軸。

首先,垂直於軸運動:非零角守恆動量會趨向於使圓柱體的直徑保持相對穩定。當球相互彈起時,有些是朝著軸線方向,有些是遠離軸線方向。在更現實的模型中,有些球是完全從系統中彈出的,而另一些則(為了保持角動量)將落在中心(即中央對象)。

然而,平行於軸運動的球的淨線動量為零,並且這也是保持守恆的。從頂部和底部落下(由於在所有其他球的重力作用下)的球將會再次相互撞擊並被加熱。它們墜落時不會反彈,所以軸的長度會連續(如果緩慢的話)縮短。

繼續將兩組變化的設定進行足夠長的時間,以及將圓柱體氣缸摺疊成圓盤(即高度較小的圓柱體)。類似的解釋用於說明旋轉的氣體可以組織成任何初始形狀,就像球體。因為磁場,星風等等的影響,在天體物理環境中,初始圓盤隨後的演變趨勢開始變得複雜。

所以,簡而言之,圓盤產生於旋轉。如果初始球形雲沒有旋轉,它會簡單地摺疊成球體,不會形成圓盤。

相關知識

土星環是太陽系中所有行星中最廣闊的環系統。它們由無數的小顆粒組成,大小從微米到米不等,圍繞土星運行。環中的顆粒幾乎全部由水冰構成,含有微量巖石物質的成分。但是關於它們的形成機制仍然沒有共識。雖然理論模型表明這些環很可能在太陽系歷史的早期形成,但來自卡西尼號的新數據表明它們形成的時間相對較晚。

雖然土星環的反射增加了土星的亮度,但在地球上無法用肉眼看到它們。1610年,即伽利略使用望遠鏡觀察天空的那一年,他成為第一個觀察土星環的人,儘管他不能看清楚土星環的真實性質。1655年,克裡斯蒂安·惠更斯是第一個將它們描述為圍繞土星的圓盤的人。儘管許多人認為土星環是由一系列微小的環(這個概念可以追溯到拉普拉斯)組成的,且實際的間隙很小。然而把環看作是一個密度和亮度上具有同心局部極大值和極小值的環形圓盤更為正確。在環中的簇的範圍內,還有很多空餘空間。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.stason- Peter R. Newman- Loria

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