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

Я озадачен тем, почему планеты, звезды и луны все круглые (когда) другие большие и маленькие объекты, такие как астероиды и метеориты, имеют неправильную форму? — Лайонел Янг, 74 года, Лонсестон, Тасмания.

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?

Гравитация: ключ к тому, чтобы сделать большие вещи круглыми…

Ответ на вопрос, почему большие объекты круглые, сводится к влиянию гравитации. Гравитационное притяжение объекта всегда будет направлено к центру его массы. Чем больше что-то, тем оно массивнее и тем сильнее его гравитационное притяжение.

Для твердых объектов этой силе противостоит сила самого объекта. Например, нисходящая сила, которую вы испытываете из-за земного притяжения, не притягивает вас к центру Земли. Это потому, что земля давит на вас; у него слишком много силы, чтобы позволить вам провалиться сквозь него.

Однако сила Земли имеет пределы. Представьте себе огромную гору, такую ​​как Эверест, которая становится все больше и больше по мере того, как плиты планеты сближаются.По мере того, как Эверест становится выше, его вес увеличивается до точки, в которой он начинает тонуть. Дополнительный вес втолкнет гору в мантию Земли, ограничивая ее высоту.

Если бы Земля полностью состояла из океана, гора Эверест просто опустилась бы до самого центра Земли (вытеснив любую воду, через которую она прошла). Любые области, где уровень воды был необычно высок, опускались под действием земного притяжения. Области, где воды было необычно мало, будут заполнены водой, вытесненной откуда-то еще, в результате чего этот воображаемый океан Земли станет идеально сферическим.

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

Между прочим, именно поэтому вам не нужно беспокоиться о том, что вы свернетесь в сферическую форму под действием собственного гравитационного притяжения — ваше тело слишком сильное для крошечного гравитационного притяжения, которое оно оказывает для этого.

Достижение гидростатического равновесия

Когда объект настолько велик, что побеждает гравитация — преодолевая прочность материала, из которого сделан объект — она будет стремиться притянуть весь материал объекта к сферической форме. Части объекта, которые слишком высоки, будут тянуться вниз, вытесняя материал под собой, что приведет к тому, что области, которые слишком низки, не 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, сделанный только из жидкой воды, справился бы с этим очень легко, так как у него по сути не было бы прочности, поскольку молекулы воды довольно легко перемещаются.

Между тем объект, сделанный из чистого железа, должен быть намного массивнее, чтобы его гравитация преодолела силу, присущую железу. 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, который выглядит как Звезда Смерти, имеет сферическую форму и диаметр 396 км. В настоящее время это самый маленький из известных нам объектов, который может соответствовать критерию.

Постоянно в движении

Но все становится сложнее, если подумать о том факте, что все объекты имеют тенденцию вращаться или кувыркаться в пространстве. Если объект вращается, места на его экваторе (точка на полпути между двумя полюсами) эффективно ощущают немного уменьшенное гравитационное притяжение по сравнению с местами вблизи полюса.

В результате идеальная сферическая форма, которую вы ожидаете в гидростатическом равновесии, смещается к тому, что мы называем «сплюснутым сфероидом», когда объект шире на экваторе, чем на полюсах. Это верно для нашей вращающейся Земли, диаметр которой по экватору составляет 12 756 км, а диаметр от полюса к полюсу — 12 712 км.

Чем быстрее вращается объект в космосе, тем драматичнее этот эффект. Сатурн, который менее плотный, чем вода, вращается вокруг своей оси каждые десять с половиной часов (по сравнению с более медленным 24-часовым циклом Земли). В результате она гораздо менее сферическая, чем Земля.

Экваториальный диаметр Сатурна составляет чуть более 120 500 км, а его полярный диаметр составляет чуть более 108 600 км. Разница почти в 12 000 км!

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

Краткий ответ

Чем ближе вы смотрите на такой вопрос, тем больше вы узнаете.Но если ответить просто, то причина, по которой большие астрономические объекты имеют сферическую (или почти сферическую) форму, заключается в том, что они достаточно массивны, чтобы их гравитационное притяжение могло преодолеть прочность материала, из которого они сделаны.

(Автор — профессор астрофизики Университета Южного Квинсленда.)