球形或是不規則形？萬有引力，揭開天體形狀之謎
我一直好奇：為什麼恆星、行星和衛星都是球形，而彗星和小行星不是？
行星、彗星呈圓形
（圖源：一家商業攝影，影視素材和音樂素材供應商）
本文最初發表於《對話》。該雜誌向Space網站的“專家之聲：特寫與洞悉”專欄提供了本文。
瓊蒂·霍納，南昆士蘭大學天體物理學教授
“我不明白為什麼恆星、行星和衛星都是球形，而其他大小的天體，比如彗星和隕石，形狀是不規則的？”
——萊昂納爾·楊，74歲，塔斯馬尼亞州，朗塞斯頓市
萊昂奈爾，這是個很好的問題，也是很出色的觀察！
當我們遙望太陽系時，我們可以看到不同形狀的物體——從微小的灰塵微粒到巨大的行星和太陽。這些物體的共同點是大物體是球形而小物體是不規則狀。但這是為什麼呢？
按比例給出的太陽系的各種小天體。大物體是球形，但小物體是除球形以外的任意形狀！
引力：讓大物體變成球形的關鍵……
引力使大的物體變成球形。一個物體的萬有引力總是指向它質量的中心。物體越大，它的質量就越大，萬有引力就越大。
對於固體來說，這個力被固體本身的強度所對抗。比如說，你受到的地心引力不會把你拉至地球中心，這是因為地面給了你一個向上的反作用力，這個力十分強大，使你不會沉入地底。
然而地球的強度是有限度的。想想一座大山，比如珠穆朗瑪峰，會因地球板塊的擠壓變得越來越高，重量也越來越大，直到它開始下陷。額外的重量會將山體拉向地幔，限制它能到達的高度。
如果地球完全由海洋構成，珠穆朗瑪峰會一路沉至地球中心（排出它經過的所有水）。任何水位異常高的地方都會被地心引力拉著下沉，水位異常低的地方會被從其他地方來的水給填滿，地球會變成完美的球體。
但事實是，引力不可思議地微弱。一個物體必須非常大才能施加足夠強的引力去對抗材料本身的強度。較小的固體 （直徑幾米或幾千米）的引力太微弱了，無法把這些固體變成球形。
這就是為什麼你不用擔心在自己的引力下坍塌成球形——你的身體太強大了，它產生的微小引力無法做到這一點。
達到流體靜力學平衡
當一個物體大到其引力能夠克服其製造材料的強度時，該引力傾向於將物體拉成球形。這個物體上過高的部分會被拉下來，替代低處的材料並使其無法向外擴充套件。
當球形形成了，我們稱這個物體達到了“流體靜力學平衡”。但是一個物體要多大才能達到流體靜力學平衡呢？這取決於它由什麼組成。一個僅由液態水組成的物體就很容易達到，因為它基本上沒有強度——水分子的移動十分輕鬆。
與此同時，一個由純鐵構成的物體需要有很大的體積使其引力克服鐵本身的強度。在太陽系中，要成為球體，一個由冰構成的物體最小直徑為400千米——對於由強度更大的材料構成的物體，這個值更大。
土星的衛星土衛一看起來像一顆死星，它是個直徑396千米的球體，是目前已知的比較符合以上標準的最小物體。
就像在從卡西尼飛船中拍攝的，土衛一的大小剛好夠它的引力將它拉成一個球形。巨大的赫歇爾隕石坑讓土衛一看起來像一個死星，這是在一次差點使土衛一毀滅的撞擊中留下的。（圖源： 美國宇航局/噴氣推進實驗室-加州理工學院/空間科學研究所）
不斷地運動
當考慮到太空中的所有物體都在自旋或翻轉，事情就變得更加複雜了。如果一個物體在自旋，相比於極點附近的地點，它的赤道地區受到的引力會相對減小。
這一現象的結果就是，本應在流體靜力學平衡後達到的完美球形會變成扁球形，物體的赤道直徑會比兩極間直徑更寬。對我們自旋中的地球來說就是這樣，它的赤道直徑12756千米，兩極間直徑為12712千米。
在太空中，一個物體自旋得越快，這個現象就越明顯。密度比水更小的土星，每十點五個小時就會沿著其軸線自旋一週。因此，它的球形沒有地球的明顯。
土星的赤道直徑剛好在120500千米之上，然而它的兩極間直徑剛剛超過108600千米。兩者幾乎相差12000千米！
卡西尼飛船在2017年9月拍攝的木星及其衛星的寬視野圖片確實展示出這個星球有多癟！（圖源：美國宇航局/噴氣推進實驗室-加州理工學院/空間科學研究所）
一些行星更加極端。出現在澳大利亞冬季北方天空中的亮星牛郎星就是這樣一個怪胎。它每九小時自旋一週，這個速度太快以至於它的赤道直徑比兩極間直徑長了25%！
簡要回答
越深入研究一個問題，學到的知識越多。簡要回答這個問題，大的天體呈球形（或近似球形）的原因是它們足夠大，以至於它們的萬有引力可以克服材料本身的強度。
BY： Jonti Horner
FY：Theodore0332
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