为什么太阳系所有行星,几乎都在同一个平面上,而不是错落分布?

关于太阳系的图片,相信大家都看过不少,通常来讲,在这些图片中,太阳系中所有行星都是位于同一个平面的,这其实与太阳系中的实际情况差不多。

在过去的日子里,科学家早已发现,相对于地球公转轨道所在的平面(也就是“黄道面”)来讲,即使是差得最多的水星,其公转轨道所在的平面的倾斜度也仅仅只有大约7度。那么,为什么太阳系所有的行星,几乎都在同一个平面上,而不是错落分布呢?下面我们就来聊一下这个话题。

根据科学界的主流观点,太阳系的“前身”其实是一片巨大的原始星云,这被称为“太阳星云”,在大约46亿年前,“太阳星云”因为受到了外界的某种扰动而发生了引力坍缩,于是这片星云中的物质就不断地向其中心区域汇集,进而造成该区域的物质密度越来越高,温度也不断攀升,并最终在这里形成了一颗恒星,也就是太阳,而星云中残余的物质,则逐渐形成了太阳系中的其他天体,其中就包括太阳系中的八大行星。

太阳系所有的行星之所以几乎都在同一个平面上,其实就与太阳系的形成过程密切相关。

对于“太阳星云”中的粒子来讲,“太阳星云”的引力坍缩,会让它们向星云的质心运动,但由于它们都有各自的运动,因此它们中的绝大多数都不会径直向星云的质心运动,而是会一边围绕着星云的质心旋转,一边向星云的质心运动,所以它们或多或少的都具有角动量。

很明显,“太阳星云”中所有粒子的分布不可能是完全均匀的,与此同时,它们的角动量也不可能做到完美地“抵消”,所以在引力坍缩的过程中,“太阳星云”就会在某个方向上具备一个净角动量,并因此开始围绕着其质心旋转。

在这种情况下,就存在着一个与“太阳星云”的旋转轴垂直,同时通过其质心的平面,为方便描述,我们可以将其称为“赤道面”,据此我们就可以将“太阳星云”中所有粒子的运动轨迹简单地分为两类,第一类是它们的轨迹与“赤道面”平行,第二类则是它们的轨迹与“赤道面”存在着一定的倾斜度。

可以看到,对于运动轨迹是第二类的粒子而言,在它们的运动过程中,就会不断地在“赤道面”的“上方”和“下方”穿行,换句话来讲就是,它们具有垂直于“赤道面”的运动分量。

在“太阳星云”持续收缩的过程中,其中的粒子密度也越来越高,而因为角动量守恒,“太阳星云”收缩了,其旋转半径也会变小,所以它在整体上的旋转速度也会越来越快,如此一来,“太阳星云”中粒子间的相互作用(如碰撞、摩擦、吸积以及引力作用等)就会越来频繁,“力度”也会越来越大。

同样是因为角动量守恒,在这些粒子的相互作用过程中,虽然它们的动量会不断地变化,但是“太阳星云”在整体上的净角动量却一直保持不变,这就意味着,在此过程中,那些运动轨迹是第二类的粒子,其垂直于“赤道面”的运动分量会被不断地削弱,其造成的结果就是:它们会越来越趋向于运动轨迹是第一类的粒子,进而导致“太阳星云”在整体上变得越来越“扁平”。

也就是说,在引力坍缩的过程中,“太阳星云”其实是在逐渐“扁平化”的。

所以科学家普遍认为,当太阳在星云中心区域形成的时候,星云中的残余物质就已经形成了一个围绕着太阳运行的盘状结构,这也被称为“原行星盘”,而太阳系中的八大行星,其实都是“原行星盘”中的物质相互吸积而成,也正因为如此,太阳系所有的行星,就几乎都在同一个平面上,而不是错落分布。

需要指出的是,这种观点除了在理论上成立之外,还有实际观测数据的支持,因为在过去的日子里,科学家发现不少正处于演化初期的恒星都遵循着这一规律,比如说在金牛座方向,距离我们460光年的“HL Tauri”,就是一个典型的例子。

“HL Tauri”是一颗刚形成不久的恒星,它的“原行星盘”还没有消失,从观测数据中可以清楚地看到,其中存在着多颗正在形成的行星“蚀刻”出来的巨大间隙,据此我们不难想象出,在不远的未来,“HL Tauri”的行星也将几乎都在同一个平面上,就像我们太阳系中的行星一样。

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