space

Почему звезды, планеты и луна круглые, а кометы и астероиды — нет?

Это фантастический вопрос, Лайонел, и действительно хорошее наблюдение! Когда мы смотрим на Солнечную систему, мы видим объекты всех размеров — от крошечных пылинок до планет-гигантов и Солнца.

Общей темой среди этих объектов является то, что большие (более или менее) круглые, а маленькие — неправильной формы. Но почему?

Ответ на вопрос, почему большие объекты круглые, сводится к влиянию силы тяжести. Гравитационное притяжение объекта всегда будет направлено к центру его массы. Чем больше объект, тем он массивнее и тем больше его гравитационное притяжение.

Для твердых объектов этой силе противостоит сила самого объекта. Например, нисходящая сила, которую вы испытываете из-за гравитации Земли, не притягивает вас к центру Земли. Это потому, что земля толкает вас вверх; у него слишком много силы, чтобы позволить вам утонуть в нем. Однако сила Земли имеет пределы.

Представьте себе большую гору, такую как Эверест, которая становится все больше и больше по мере того, как плиты планеты сталкиваются друг с другом. По мере того, как Эверест становится выше, его вес увеличивается до точки, при которой он начинает опускаться. Дополнительный вес толкает гору в мантию Земли, ограничивая ее высоту.

Если бы Земля была полностью сделана из океана, гора Эверест просто опустилась бы до центра Земли (вытесняя всю воду, через которую она проходила). Любые области, где вода была необычно высокой, тонули бы под действием силы тяжести Земли. Области, где уровень воды был необычно низким, будут заполнены водой, вытесненной из других мест, в результате чего этот воображаемый океан Земля станет совершенно сферическим.

Но дело в том, что гравитация на самом деле на удивление слабая. Объект должен быть действительно большим, прежде чем он сможет проявить достаточно сильное гравитационное притяжение, чтобы преодолеть прочность материала, из которого он сделан. Таким образом, более мелкие твердые объекты (диаметром в метры или километры) обладают гравитационным притяжением, слишком слабым, чтобы придать им сферическую форму.

Кстати, именно поэтому вам не нужно беспокоиться о коллапсе в сферическую форму под действием собственного гравитационного притяжения — ваше тело слишком сильно для того крошечного гравитационного притяжения, которое оно оказывает.

Достижение гидростатического равновесия

Когда объект достаточно велик, чтобы победить сила тяжести, преодолевая прочность материала, из которого он сделан, он будет стремиться притянуть весь материал объекта к сферической форме. Слишком высокие части объекта будут опускаться вниз, вытесняя материал под ними, что приведет к тому, что слишком низкие области будут выталкиваться наружу. Когда эта сферическая форма достигнута, мы говорим, что объект находится в «гидростатическом равновесии».

Но насколько массивным должен быть объект, чтобы достичь гидростатического равновесия? Это зависит от того, из чего он сделан. Объект, состоящий только из жидкой воды, справился бы с этим очень легко, поскольку у него по существу не было бы силы — поскольку молекулы воды довольно легко перемещаются.

Между тем, объект, сделанный из чистого железа, должен быть намного более массивным, чтобы его сила тяжести преодолела внутреннюю силу железа. В Солнечной системе пороговый диаметр, необходимый для того, чтобы ледяной объект стал сферическим, составляет не менее 400 километров, а для объектов, сделанных в основном из более прочного материала, порог еще больше.

Спутник Сатурна Мимас, похожий на Звезду Смерти, имеет сферическую форму и диаметр 396 км. В настоящее время это самый маленький из известных нам объектов, который может соответствовать этому критерию.

Постоянно в движении

Но все становится еще сложнее, если вы думаете о том факте, что все объекты имеют свойство вращаться или кувыркаться в пространстве. Если объект вращается, места на его экваторе (точка на полпути между двумя полюсами) фактически ощущают немного меньшее гравитационное притяжение по сравнению с местами около полюса.

Результатом этого является то, что идеально сферическая форма, которую вы ожидаете в гидростатическом равновесии, смещается в то, что мы называем «сплюснутым сфероидом» — где объект на своем экваторе шире, чем на полюсах.

Это верно для нашей вращающейся Земли, экваториальный диаметр которой составляет 12 756 км, а диаметр от полюса к полюсу — 12712 км. Чем быстрее вращается объект в космосе, тем драматичнее этот эффект.

Сатурн, который менее плотен, чем вода, вращается вокруг своей оси каждые десять с половиной часов (по сравнению с более медленным 24-часовым циклом Земли). В результате он гораздо менее сферический, чем Земля. Экваториальный диаметр Сатурна составляет чуть более 120 500 км, а его полярный диаметр — чуть более 108 600 км. Это разница почти в 12000 км!

Некоторые звезды даже более экстремальны. Яркая звезда Альтаир, видимая на северном небе из Австралии в зимние месяцы, является одной из таких странностей. Он вращается примерно раз в девять часов. Это настолько быстро, что его экваториальный диаметр на 25% больше, чем расстояние между полюсами!

Краткий ответ

Чем ближе вы вникнете в подобный вопрос, тем больше вы узнаете. Но если ответить просто, то причина того, что большие астрономические объекты являются сферическими (или почти сферическими), заключается в том, что они достаточно массивны, чтобы их гравитационное притяжение могло преодолеть прочность материала, из которого они сделаны.

Поделиться с друзьями: