为什么宇宙中大多数天体都呈现“圆形”呢？背后的秘密来自一种动力学！（组图）

2000多年前，人类发现地球不仅是一个球体，而且还可以测量它的大小。

从那时起，我们逐渐意识到，不仅是月亮、太阳这样的天体，甚至每一颗行星都呈现为圆形。

事实上，在太阳系中，不仅是行星，许多巨大的卫星和矮行星也都符合这种圆形的规则——木星的四颗最大卫星、土星的几颗主要卫星、天王星的卫星、海王星的卫星，以及像冥王星、厄里斯这样的柯伊伯带天体，也几乎都是圆的。

那么，这个问题可以通过一些物理学原理得到解释。

01 自然界中的“圆形”定律

如果我们随便想象一个行星有立方体、金字塔甚至其他形状，它是否能够存在于宇宙中呢？

遗憾的是，大自然的规则决定了一个“大”天体的形状只能是近似于圆形的。

科学研究证明，只要天体的质量足够大，所有的物质都会在引力的作用下聚集到一起并重塑形状，最终形成“流体静力平衡”状态——这意味着天体的形状受到引力和自转的共同影响，趋向于一种最稳定的平衡。

换句话说，在一定规模以上，任何天体都无法逃脱“圆形”的束缚。

02 引力与天体形状的奥秘

在我们的太阳系中，所有半径大于800公里的天体都处于流体静力平衡状态，呈现近似的圆形。

这一规则对所有主要行星、卫星乃至矮行星都适用。

而这个“800公里”的临界半径就是自然界在确定天体形状时的“门槛”。

只有当天体的大小超过这个阈值，引力才会强大到足以克服物体表面的起伏，使它最终形成一个规则的圆形。

如果一个天体没有达到这个规模，比如我们熟知的小行星和彗星，它们的形状通常是各式各样的：花生形、土豆形、甚至是不规则的碎石堆。

这种现象背后是因为，当物体较小且质量不足时，其他作用力会在形状形成中起到更重要的作用。

比如小行星的表面可以被电磁力束缚在一起，从而呈现出奇形怪状的样子。只有当质量足够大，引力足以压倒这些微观层面的力，天体才能被“拉”成圆形。

03 天体“塑形”之路：从小行星到行星

天体形成的过程中，小行星和彗星是一个有趣的研究对象。以著名的小行星“丝川”为例，它形似花生，不规则的形状显示它尚未达到引力主导的状态。

这类小天体的形成主要靠静电力和小范围的引力聚集，而不是通过整体的强大引力，所以它们的形状可能在碰撞和凝聚过程中随意变换，甚至有时是两个物质不同的天体融合而成。因此，像丝川这样的小行星无法形成像行星一样的圆形。

然而，当我们看到更大的天体时，比如半径超过200公里的土星卫星土卫一，它已经在引力的塑形作用下接近球形。

土卫一的形状是由它自身的引力决定的，这种圆形趋势在太阳系的其他大型天体中也显而易见。

这也解释了为什么许多矮行星、卫星和行星都保持圆形，甚至远超“圆”的概念，因为流体静力平衡的作用会进一步使它们的形状稳定。

04 “流体静力平衡”是如何定义天体的

什么是“流体静力平衡”？

简单来说，这是一种形态平衡状态，指的是物体在引力和自转作用下形成的一种平滑形状。

在这个平衡中，物体内部的引力均匀分布，使得所有的表面都向重心集中。这一原理解释了为什么大型天体会在自引力的作用下变成圆形。

地球、木星、土星等行星，以及很多矮行星和卫星就是在这种作用下形成的。

举个例子，地球虽然是球体，但由于自转的影响，它在赤道上略微“膨胀”。

土星的形状更加极端，它的自转使它成为一个非常扁的椭球体，赤道直径比两极直径大约10%。

这就说明，即便是“圆形”天体，它们的形状也会受到自转影响，呈现出不同程度的扁平化形态。

然而，并非所有的天体都能达到“流体静力平衡”状态。例如，直径小于100公里的小行星、彗星等小天体，它们的引力不足以克服表面的形态结构，因此呈现出不规则的形状。

航天器造访的这些小行星和彗星的大小跨越了许多数量级，从亚千米天体到一侧超过100千米的天体。然而，这些物体都没有足够的质量被拉成圆形。引力可以使它们结合在一起，但是电磁力是形成它们形状的主要原因。

研究发现，当一个天体的质量在10^18千克以下时，它的半径不足100公里，这样的天体即使受到引力约束，也不足以拉成圆形。

相反，较小的天体更可能是由松散的碎石和颗粒组成，比如著名的彗星67P/楚留莫夫－格拉希门克，形状不规则而且经常释放气体，其外形和活动都是引力不足以成形的结果。

真实色彩影像，由罗塞塔号摄于2014年9月19日，来自wiki

所以，当我们观察那些小型天体时，往往可以看到它们因为引力不足，保留了“土豆”或“花生”般的形态——这是一种无法进入流体静力平衡的状态。

太阳系中的天体从不规则形状到圆形的演变可以视为一次进化。最小的天体由于引力不足，形状随意，随着大小和质量的增加，引力逐渐主导，逐步塑造出圆形的形态。

土卫一

土卫一就是一个例子，它是已知最小的圆形天体，由冰组成，密度较低，引力作用较小，却因其与土星近距离的公转和自转，成功拉伸成了一个近似圆形的形态。

如果天体的组成是岩石或金属，像灶神星那样，它们达到流体静力平衡的临界半径更高，需要更大的质量和半径。

所以，灶神星、帕拉斯星等天体虽然尺寸较大，但由于密度较高，仍然保持土豆状。

而矮行星锡里斯，半径达到470公里，刚刚进入流体静力平衡，因此显示出圆形的形状。

在太阳系中，太阳以99.9993%的球体精度堪称最接近“完美球体”的天体。

这一精确的球体形状源自其内部的强大引力对外表面的均匀塑形作用。尽管太阳的表面活跃，存在日珥、等离子体丝和温度差异，但这些细微的特征并不会影响其整体圆度。

太阳系中的其他天体，比如地球，因为自转的影响并不是完全的球体，而是略扁的椭球体。

土星的扁平程度更甚，显示出极大的赤道膨胀。

与此不同的是，月球和水星由于自转缓慢，更接近完美的球形。

总结而言，天体的形状可以大致分为三类：

1、微小天体的随机形状：半径小于200公里的天体通常是随机形状的，外观形态多样，取决于其最初的碰撞和堆积方式。

2、接近球形的中等天体：半径在200至800公里之间的天体逐渐被拉成圆形，但由于引力不足，通常仍留有不规则的特征。

3、达到流体静力平衡的巨型天体：半径超过800公里的天体引力足够强，能将自己塑造成完美的圆形或椭圆形，形态主要受引力和自转影响。

在太阳系中，我们看到的行星、卫星、大型小行星以及一些彗星都符合这一定律。

这一过程不仅仅是对天体形状的塑造，更是引力在宇宙中无形却强大的体现。