为什么大部分天体是球形「为什么天体大多都是球形其实是两种力对决的结果」

天上的星星长成一个样儿 其实是两种力“对决”的结果

身边的天文学

李 鉴

可能我们很多人都好奇过，为什么天体大多都是球形？

这首先要从水滴说起。水滴为什么总是球形？这是因为水的表面就像一张紧绷的有弹性的薄膜，如果把一根针轻轻地平放到水面上，可以发现虽然它的密度比水大得多，但并不会沉下去，而是将水面压出一个小凹槽，浮在上面。水表面的这层“薄膜”产生的张力，稳稳地托住了钢针。液体的表面张力，总是使得水滴趋向于使其表面积最小的形态，也就是球形。

球形对应着液滴表面势能最小的状态，而势能最小时，系统最稳定。这被称为“最小势能原理”：对任何一个系统，如果它的势能没有达到“最小”，它总要设法变化到其相对最小的势能位置。

电磁力使固体保持“身材”

那为什么像岩石、铁块这样的固体，就算放到失重环境下也不会成为球形呢？这涉及到宏观世界里起主要作用的两种力：电磁力和引力。正是它们塑造了物体的形状。

在宏观尺度中，主要作用力是电磁力。我们熟知的摩擦力、磁铁吸附铁片的力、桌子支撑书本的力都是电磁力。和液体相比，固体里分子的间距很小，分子间的电磁力很大(且引力与斥力平衡)，所以固体能保持一定的形状和一定的体积，不易变形。

而物体受到的重力，则是来自于地球的引力。在宏观和微观层面，电磁力要比引力强得多，我们以一个边长为10厘米的正方体石块(密度取为2.5克/立方厘米，总质量为2.5千克)为例，来对电磁力和引力做个比较。

石块内部的分子通过电磁力形成化学键，从而得以聚集在一起形成固定的形状。同时，石块里的每个分子都会对其他分子产生引力。但这颗石头分子聚合产生的引力要小于电磁力，所以石块自身的引力是不可能破坏化学键而使它发生明显变形或破裂的，此时电磁力对石块的形状起了决定性作用。

如果把石块的大小增加到边长为10千米，它的总质量将达到1015千克的量级。这时，随着石头质量的增加，它的每个分子的平均自引力势能也将增加，由于分子之间的电磁力仍然保持不变，所以现在石块的自引力势能与化学键结合能之间的差别就大为缩小了，但还差7个数量级，形状依然是个立方块，不会受到任何影响。但此时的石头已经达到了岩石的抗张极限，大概会被地球引力撕裂，散成碎块，这也是为什么地球上的山峰高度都没有超过10千米的原因。

引力让大质量天体成为球形

如果继续增加石块的质量，让它成为如今的地球，将会发生什么情况？

这时引力与化学键电磁力角力的结果将会反转。引力将战胜化学键电磁力成为主宰，这块岩石从里到外，会在自身引力的作用下被压碎，不可避免地会发生变形。那么它会变成什么形状呢？

根据“最小势能原理”，它会变成一个球。这时它的核心可能会因为高温高压而电离、熔融(地球就有一个固态内核和液态外核)，产生更强大的能与引力相抗衡的电磁力，但不再是此前的化学键电磁力。在这个尺度，引力所起的作用和液滴的表面张力有点类似，坚硬的岩石在它面前也变得如面团般柔软，引力会把它塑造成为引力势能最小的形状——球形。

虽然地球这样的行星都相当接近球形，但也并不是完美的球。这是因为球体的自转产生的惯性离心力，在赤道附近最大，两极最小(等于零)。导致的结果就是两极要比赤道更平，星体成为一个椭球状。这在自转较快的气态巨行星木星、土星上表现得相当明显。

也有天文学家提出，如果天体的自转足够快，最终的形状可能并不是椭球，而是一个环，也就是像甜甜圈那样的形状。因为自转很快时，环形的能量可能要比椭球更低，因此也更稳定。不过，目前还没有真的观测到这样的天体，这仍然只是理论推测。(作者系北京天文馆研究员)

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宇宙中，为何所有的大型天体都是以球体存在？

我们在观看各种宇宙天体的照片时，往往都会发现，这些天体大部分都是球形的，当然，这里所说的球形，并不是一个完整的圆球，往往都会存在着一定的扁率值，就比如我们生存的地球，是一个偏椭圆的球形，那么为什么大部分的天体都是球形呢？又是什么原因造成的呢？为什么不是长方体，或者是圆柱形状的呢？

严格来说，所以的天体还真的不是完全的圆球形状，应该说是扁球形状，在赤道附近往往会凸起来，而两极地区又显得比较的狭窄，所以一般的天体，两极周长往往都会小于赤道周长，我们地球就是如此，当然，在太阳系当中，地球并不是最突兀的，木星两者之间的差异，是最大的，而太阳系当中，差异最小的反而是太阳，只有不到10万千米的差距。

科学家认为，主要是有两种力造成的，一种是有天体自身质量引起的引力势能，而另外一种是流体静力的平衡，也正是在这两种力的作用之下，才使得大部分的天体都是球形的，而其中最为重要的其实是流体静力平衡，在我们的太阳系当中，我们比较熟悉的天体，基本上都是球形。

比如太阳，在太阳系当中，太阳的形状是最接近圆球的，太阳的扁率只有大约0.00000001，而我们也知道，太阳本身是一颗体积巨大的天体，所以这样的扁率对于太阳来说，基本上是可以忽略不计的，而月球的扁率大约是0.001，地球大约是0.003，这两者相对于太阳来说，算是比较大了。

而我们上面也说了，宇宙当中的天体是不是球形，和天体的质量和体积有很大的联系，而在太阳系当中，这个体积的分割线其实就是土卫一，在太阳系当中，体积和质量要大于土卫一的天体基本上都是球形，而小于土卫一的都是不规则物体，这是因为质量影响了天体引力的大小，而体积影响着天体自转的速度，而以此造成的引力势能，就能够让天体成为球形。

当然，也恰恰是因为自转的原因，导致了天体往往呈现椭圆形状，这是因为在自转的时候，产生了离心力，从而会使得天体出现扁率。

根据万有引力定律，所有的物体都有引力，这是一种共同向物体中心的一个力，而我们上面也说了，这个力会随着物体质量的增加而变大，而过大的引力本身就会使得物体内部出现坍塌，从而也会促使物体朝着球形的状态的演化，而这也就是说明了，其实所有的物体，都存在着成为球形的可能性。

似乎球形才是宇宙当中，最为完美的形状，当然，就质量较小的物体来说，引力非常的弱，所以也就能够保留不规则物体的形态，但是在宇宙当中，天体在达到一定的质量之后，自然也就会朝着球形转变。

而我们上面也说了，达到流体静力平衡，才是天体成为球形的关键所在，当一个天体的质量足够大的时候，产生的引力就能够克服自身组成材料的钢性力，在这样的情况之下，天体为了能够达到流体静力平衡，就会朝着球形的状态演化，而对于天体来说，自身组成材料的钢性力越弱，反而能够更好的成为球体。

这也就使得一些天体可以无视体型和质量，就能够达到流体静力平衡，成为球体，在太阳系当中，有很多的小行星就是球体，而这些小行星的构成部分往往不是岩石，反而是冰层，冰层的钢性力要远弱于岩石结构的天体，所以这种小行星才能够无视质量和体积的影响，也成为球形天体。

而所谓的流体静力平衡，其实就是指当流体静止的时候，流体会被直接被认定成为了一个流体静力平衡的状态，在宇宙空间当中，流体静力平衡，是区分小行星和矮行星的一个重要标准之一，所以严格来说，流体静力平衡对于天体成为球形，是有着很大的原因的。

总而言之，宇宙当中的天体，大部分都是球形的，这是多方面的原因造成的，当然最为主要的是天体本身的质量，以及构造天体的材料，还有天体的体积，和能否达到流体静力平衡，当然，就神秘的宇宙来说，球形仿佛是一种最为完美的形状，宇宙当中的任何物体，在自然环境之下，都有成为球形的可能！

宇宙中那么多天体，但是为什么大多数都是球形的？

一切都归结为引力。物体中的所有原子都拉向一个共同的引力中心，并且无论何种力将它们分开，它们都会向外抵抗。 最终形成的结果大部分时候是一个球体。重力和表面张力将其拉入，并且分子力将其向外推。如果将形成星球的物质保持在不受干扰的环境中，则最终星球上的物质将达到理想的平衡而形成球体。 

恒星、行星和卫星可以由气体、冰或岩石构成。当宇宙中的某一个区域获得足够的质量，它会把所有的物质拉成一个大致呈球形的形状。质量较小的天体，如小行星、彗星和较小的卫星，由于其引力较小，因此它们可能无法形成完美的球体。

大多数天体都是绕轴旋转的，但其实这些天体其实也不完全是球体。由于其快速的旋转使球体中部变平，使它们赤道上的平面比从一极到另一极的平面更宽。地球就是一个例子，我们称它为扁球体。木星相比地球来说更平坦，因为它旋转得更快。木星上的一天只有短短的9.9小时。这使得它成为一个扭曲的不完美球体，横跨赤道有71500公里，两极之间只有66900公里。

物质倾向于形成球体，但如果它们旋转得足够快，它们将形成盘状。恒星是相似的。我们的太阳自转得很慢，所以它几乎是一个完美的球体，但是有一些恒星旋转得非常非常快。蜘蛛星云中的一颗巨星VFTS 102的旋转速度比太阳快100倍，它的速度再快一点，就会因向心力过大而分离。因为快速旋转，向心力克服了产生内部物质的重力吸引而向外分散开，宇宙中的黑洞吸积盘等圆盘状的星体就是因此而产生的。