宇宙中最圆的物体是什么?

找到一个完美的球体实际上非常困难

Photograph of Venus transiting the sun which is partially obscured by clouds in the sky

图中可见金星(顶部)凌日。这两个物体都近乎完美圆形——实际上比天文学家精确测量的其他大多数天体更接近球形。

LinP74/Getty Images

时不时地,我脑海中会冒出一个奇怪的想法,它在那里要求一个答案。有时它很琐碎,有时听起来很傻,但随后会带来一些有趣的见解。这次我的大脑决定专注于一个简单的问题:宇宙中最圆的物体是什么?

我的意思是,我们发现的最接近球形的物体是什么——不一定是表面最光滑的,而是最对称的,其表面上的每个点到其中心的距离都相同?(毕竟,这就是球体的定义。)

很多大型物体都是圆形的,这不是巧合。这要归咎于引力。当一个宇宙物体生长时,通常是通过积累气体或与其他天体碰撞,它的质量会增加——因此它的引力场也会增加。在某个时候,引力变得非常强大,以至于任何突出的东西都会坍塌,这个过程最终会驱动物体变成球形。这种机制是我们地球生活的一部分:太高的山会崩塌,你在海滩上堆沙子也只能堆到一定高度就会倒塌。每次天文物体经历这种变化时,它都会变得更光滑,更接近球形。


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一旦物体增长到大约 400 公里宽,这种属性就会显现出来,具体取决于它们的构成。因此,几乎任何直径或更大的离散物体都将趋于接近球形:大型小行星、卫星、行星甚至恒星。

那么,其中哪些是几何形状最完美的球体呢?我四处搜索了很多,思考了我能想到的每一种天文物体,最后我得到的答案令我惊讶:太阳——是的,我们最近的恒星!

一般来说,恒星都非常圆,但即使是最圆的恒星也会偏离理想球形。这种偏差的主要来源是自转,因为它会产生离心力。

尽管您可能听说过,离心力在旋转参考系中确实存在——也就是说,如果您处于弯曲的轨迹中,这种力会使您感觉有什么东西在向外推您。例如,如果您驾驶汽车左转,您会感觉自己被抛向右侧,即转弯的外侧。

对于旋转球体,离心力在赤道处最大,那里的旋转速度最高。力的大小取决于物体的大小及其旋转速度——较大的物体承受更大的力,而更快的旋转也会增加力。

太阳很大,毫无疑问:超过 100 个地球可以排列在其 140 万公里宽的表面上。但与此同时,我们的恒星旋转缓慢,大约需要一个月才能旋转一周。这种缓慢的自转可能是它赢得圆度竞赛的原因。

太阳的表面引力非常强,大约是地球的 28 倍——如果您站在它的表面(并避免立即汽化),您的体重将是地球上的 28 倍。但太阳赤道的离心力要弱得多;您从我们恒星的自转中感受到的向外力仅为现在拉下您的重力的 0.0015%。难怪太阳如此之圆。

然而,精确测量太阳有多圆被证明是困难的。它没有像地球那样的表面;它是气态的,因此它内部的物质离中心越远,密度就越小。然而,在“表面”附近,密度下降得如此之快,以至于从地球上看,太阳的边缘显得很锐利。从地面测量太阳的大小很困难,因为地球的大气湍流会模糊太阳边缘的景象。因此,为了真正好好观察太阳的球形度,天文学家求助于 NASA 的太阳动力学天文台,这是一个天基太阳天文望远镜。通过非常仔细的测量,他们发现太阳的扁率——即它在两极相对于赤道的扁平程度——非常小,比例仅为 0.0008%。这意味着太阳的球形度为 99.9992%。这些结果发表在《科学快讯》杂志上。

真是非常圆。奇怪的是,科学家们还发现,这个比例似乎不会随着太阳磁周期而变化。目前我们正处于太阳磁场强度的峰值,它以 11 年的周期增强和减弱。但这种强大的力量似乎根本没有影响太阳令人难以忍受的圆度。

我要指出的是,另一个太阳系天体也几乎如此之圆:金星——原因相同。金星的自转非常慢;它大约需要 243 天 才能自转一周。这意味着其赤道的离心力确实非常小,事实上,观测表明,行星的极地宽度和赤道宽度在测量误差范围内完全相同。

这个属性使它在原则上可以说比太阳更圆,尽管实际上,它的表面高度变化达数公里,因此按比例来看,它不如我们的恒星圆。(地球的扁率约为 0.3%,因为我们的行星比其他天体旋转得快得多。)行星总体上都是如此,所以金星既不是球体也不是那里。

然而,其他恒星可能会令人震惊地不成球形。一个原因是有些恒星旋转得非常快,以至于其赤道的离心力非常巨大;明亮的恒星牛郎星旋转得如此之快,以至于其赤道的物质以接近每小时一百万公里的速度呼啸而过。结果,其赤道直径比其穿过两极的直径宽 20%。

其他物体可能比我们的太阳更圆,但它们离我们的探测仪器太远,以至于我们无法精确辨别它们。然而,有些物体我们可以从第一性原理出发进行某种程度的可靠审查——例如中子星,作为一个类别,它们是“最圆物体”的真正重量级竞争者。这些超高密度球体中的每一个都是比太阳质量更大的恒星经历超新星爆发后的残余物;恒星的核心坍缩成一个直径仅二十几公里的中子球。中子星非常致密,以至于它们的表面引力可能是地球的数十亿 倍。

然而,各种力会导致一些中子星极快地旋转;一颗名为 PSR J1748-2446ad 的恒星每秒旋转惊人的 716 次!这比厨房搅拌机中刀片的转速还高。尽管这颗天体尺寸极小,引力却非常巨大,但其赤道的离心力几乎足以将其撕裂。

然而,随着时间的推移,中子星的自转会减慢,并且宇宙早期形成的中子星现在可能几乎是静态的。在这种情况下,强烈的引力(我站在上面体重将超过十亿吨)足以将中子星压碎成一个非常接近完美的球体,也许其赤道和两极之间的扁平度差异可以用原子的宽度来衡量。天文学家会找到如此球形的中子星吗?也许,一旦他们着手去做。

然而,这个问题不仅仅是好玩。理解许多宇宙物体的内部结构很困难,因为我们无法访问它们,而且它们的压力和温度可能太高,即使在实验室中也无法复制。通过测量太阳和行星等物体的确切形状,我们可以更多地了解它们表面之下发生的事情,并发现是什么让它们运转。

天文学家喜欢弄清楚这类事情,即使这意味着提出听起来很傻的问题。当然,这部分很有趣,但找到答案才是我们真正玩得开心的时刻。

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