为何太阳系、银河系等天体系统观测到的形状基本为盘状而非球状？
你这个问题问得很有意思，也很深入，很多人在仰望星空时，确实会注意到太阳系和银河系的“扁平”感，似乎都不是想象中的一个“球”。这背后隐藏着天体物理学里一些非常核心和迷人的原理。要解释这个问题，我们需要回到天体系统形成的最初阶段，从最基本的物理规律说起。
1. 引力是万物之母，但旋转带来了“扁平”的灵魂
我们看到的太阳系、银河系，以及其他类似的星系，它们之所以呈现出盘状，根本原因在于引力和角动量守恒这两个物理规律的共同作用。
引力： 宇宙中的一切有质量的物体都会产生引力，互相吸引。早期，形成太阳系和银河系的物质，比如星云，最初可能是非常庞大且不规则的球状团块。引力会将这些物质向中心聚集，试图让它们收缩成一个更紧密的球体。
角动量守恒： 这才是让“球”变成“盘”的关键。你可以想象一个滑冰运动员，在原地旋转时伸开手臂，转速会变慢；当她收拢手臂时，转速会急剧加快。这是因为在没有外力干扰的情况下，一个系统的总角动量（可以理解为旋转的惯性）是保持不变的。
早期的星云团块，哪怕看起来很随机，也并非完全静止，总会有一些微小的、不同方向的自转运动。当引力开始将星云物质向中心收缩时，这些物质的运动轨迹会发生改变，但它们的总角动量却必须守恒。
为了保持总角动量不变，当物质被压缩时，它的旋转速度就会加快。这就好比滑冰运动员收拢手臂。
然而，引力是从各个方向都存在的。在旋转这个特定方向上，物质会因为离心力的作用，在垂直于旋转轴的方向上受到向外的推力。这个离心力与引力相互对抗。
2. 离心力与引力的博弈：向盘状演化
想象一下，一块星云物质在缓慢自转，然后被引力压缩。
垂直于旋转轴的方向： 在垂直于自转轴的方向上，物质会加速旋转。这种加速旋转会产生越来越大的离心力。当离心力足够大时，它就能有效地对抗住一部分引力，阻止物质继续向外扩张。物质在这个方向上会达到一种动态平衡，无法进一步收缩。
平行于旋转轴的方向： 在平行于自转轴的方向上，没有离心力来对抗引力。所以，物质在引力的作用下会继续向中心坍缩。
最终的结果就是，星云的物质在垂直于旋转轴的方向上被“压扁”，形成了厚度相对较小的盘状结构，而在平行于旋转轴的方向上则被“拉长”或“压缩”。
3. 太阳系的形成：一个典型的例子
太阳系的形成就是一个非常好的例证。
原始太阳星云： 太阳系起源于一个巨大的、旋转的分子云（星云）。
引力坍缩加速旋转： 引力使得这个星云开始收缩，同时，角动量守恒定律使得收缩的星云旋转速度越来越快。
形成原行星盘： 在旋转过程中，位于星云赤道平面的物质会因为离心力而停止进一步向中心收缩，形成一个围绕中心年轻太阳旋转的扁平盘状结构，这就是原行星盘。
行星的诞生： 在这个原行星盘里，尘埃和气体颗粒通过碰撞和吸积，逐渐聚集，最终形成了行星。由于这些物质都聚集在同一个盘状结构中，所以行星们也几乎都围绕太阳在同一个平面上运行，并且大致保持着相同的旋转方向（这就是为什么大部分行星的自转方向和公转方向一致）。
太阳系中的行星轨道基本在一个平面（黄道面）上，且公转方向基本一致，正是这个盘状演化过程的直接体现。
4. 银河系的形成：宏观尺度的盘状演化
银河系也是同样的道理，只是尺度更大，过程更复杂。
早期的不规则结构： 银河系最初可能也是一个不规则的、巨大的气体和暗物质团块。
引力与角动量： 引力将这些物质吸引到一起，而角动量守恒定律使得整个系统在某个方向上旋转。
盘状结构形成： 随着引力作用，物质不断向中心聚集，垂直于旋转轴的方向因为离心力而形成一个扁平的盘状结构。恒星、气体、尘埃、暗物质等都在这个盘状结构中。
“厚盘”与“薄盘”： 银河系实际上并非一个完全薄的盘，我们观测到的是一个“厚盘”和“薄盘”的复合体。薄盘主要包含年轻、富含重元素的恒星，它们在更规则的轨道上运行。厚盘则包含一些更年老、金属丰度较低的恒星，它们的轨道相对更分散，但整体上也呈现出盘状的特征。这可能与早期银河系的形成过程以及与其他星系的碰撞合并有关。
5. 球状星系呢？
你可能会问，那为什么有些星系看起来是球状或椭球状的呢？
椭球星系： 它们也经历过引力收缩和角动量效应，但可能是在形成过程中，由于物质分布、合并历史或者湍流等因素的影响，使得它们的角动量相对较小，或者物质在垂直于旋转轴方向上也经历了更强的能量耗散，最终形成了一个更接近球形或椭球形的结构，而不是一个明显的扁平盘。
球状星团： 球状星团则是一种更紧密的恒星聚集体，它们是由几十万甚至几百万颗恒星组成，并且在银河系中绕着银河系中心做着椭球轨道运动，它们的分布就更接近球状。这与它们形成和演化的机制可能有所不同。
总结来说：
太阳系和银河系之所以呈现出盘状，是因为在它们形成之初，引力将弥散的星际物质向中心吸引，而系统的初始自转及其在角动量守恒下的加速旋转，在垂直于旋转轴的方向上产生了离心力，对抗了引力，从而阻止了物质进一步向外扩张。最终，物质在垂直于旋转轴的方向上被“压扁”，在平行于旋转轴的方向上被“压缩”，形成了一个薄而圆的盘状结构。这就像甩动一根绳子，绳子上的沙子会被甩成一个盘，而你的手腕则是旋转的中心。
希望这样的解释能让你对这些天体系统的形状有一个更清晰的认识！
1. 引力是万物之母，但旋转带来了“扁平”的灵魂
我们看到的太阳系、银河系，以及其他类似的星系，它们之所以呈现出盘状，根本原因在于引力和角动量守恒这两个物理规律的共同作用。
引力： 宇宙中的一切有质量的物体都会产生引力，互相吸引。早期，形成太阳系和银河系的物质，比如星云，最初可能是非常庞大且不规则的球状团块。引力会将这些物质向中心聚集，试图让它们收缩成一个更紧密的球体。
角动量守恒： 这才是让“球”变成“盘”的关键。你可以想象一个滑冰运动员，在原地旋转时伸开手臂，转速会变慢；当她收拢手臂时，转速会急剧加快。这是因为在没有外力干扰的情况下，一个系统的总角动量（可以理解为旋转的惯性）是保持不变的。
早期的星云团块，哪怕看起来很随机，也并非完全静止，总会有一些微小的、不同方向的自转运动。当引力开始将星云物质向中心收缩时，这些物质的运动轨迹会发生改变，但它们的总角动量却必须守恒。
为了保持总角动量不变，当物质被压缩时，它的旋转速度就会加快。这就好比滑冰运动员收拢手臂。
然而，引力是从各个方向都存在的。在旋转这个特定方向上，物质会因为离心力的作用，在垂直于旋转轴的方向上受到向外的推力。这个离心力与引力相互对抗。
2. 离心力与引力的博弈：向盘状演化
想象一下，一块星云物质在缓慢自转，然后被引力压缩。
垂直于旋转轴的方向： 在垂直于自转轴的方向上，物质会加速旋转。这种加速旋转会产生越来越大的离心力。当离心力足够大时，它就能有效地对抗住一部分引力，阻止物质继续向外扩张。物质在这个方向上会达到一种动态平衡，无法进一步收缩。
平行于旋转轴的方向： 在平行于自转轴的方向上，没有离心力来对抗引力。所以，物质在引力的作用下会继续向中心坍缩。
最终的结果就是，星云的物质在垂直于旋转轴的方向上被“压扁”，形成了厚度相对较小的盘状结构，而在平行于旋转轴的方向上则被“拉长”或“压缩”。
3. 太阳系的形成：一个典型的例子
太阳系的形成就是一个非常好的例证。
原始太阳星云： 太阳系起源于一个巨大的、旋转的分子云（星云）。
引力坍缩加速旋转： 引力使得这个星云开始收缩，同时，角动量守恒定律使得收缩的星云旋转速度越来越快。
形成原行星盘： 在旋转过程中，位于星云赤道平面的物质会因为离心力而停止进一步向中心收缩，形成一个围绕中心年轻太阳旋转的扁平盘状结构，这就是原行星盘。
行星的诞生： 在这个原行星盘里，尘埃和气体颗粒通过碰撞和吸积，逐渐聚集，最终形成了行星。由于这些物质都聚集在同一个盘状结构中，所以行星们也几乎都围绕太阳在同一个平面上运行，并且大致保持着相同的旋转方向（这就是为什么大部分行星的自转方向和公转方向一致）。
太阳系中的行星轨道基本在一个平面（黄道面）上，且公转方向基本一致，正是这个盘状演化过程的直接体现。
4. 银河系的形成：宏观尺度的盘状演化
银河系也是同样的道理，只是尺度更大，过程更复杂。
早期的不规则结构： 银河系最初可能也是一个不规则的、巨大的气体和暗物质团块。
引力与角动量： 引力将这些物质吸引到一起，而角动量守恒定律使得整个系统在某个方向上旋转。
盘状结构形成： 随着引力作用，物质不断向中心聚集，垂直于旋转轴的方向因为离心力而形成一个扁平的盘状结构。恒星、气体、尘埃、暗物质等都在这个盘状结构中。
“厚盘”与“薄盘”： 银河系实际上并非一个完全薄的盘，我们观测到的是一个“厚盘”和“薄盘”的复合体。薄盘主要包含年轻、富含重元素的恒星，它们在更规则的轨道上运行。厚盘则包含一些更年老、金属丰度较低的恒星，它们的轨道相对更分散，但整体上也呈现出盘状的特征。这可能与早期银河系的形成过程以及与其他星系的碰撞合并有关。
5. 球状星系呢？
你可能会问，那为什么有些星系看起来是球状或椭球状的呢？
椭球星系： 它们也经历过引力收缩和角动量效应，但可能是在形成过程中，由于物质分布、合并历史或者湍流等因素的影响，使得它们的角动量相对较小，或者物质在垂直于旋转轴方向上也经历了更强的能量耗散，最终形成了一个更接近球形或椭球形的结构，而不是一个明显的扁平盘。
球状星团： 球状星团则是一种更紧密的恒星聚集体，它们是由几十万甚至几百万颗恒星组成，并且在银河系中绕着银河系中心做着椭球轨道运动，它们的分布就更接近球状。这与它们形成和演化的机制可能有所不同。
总结来说：
太阳系和银河系之所以呈现出盘状，是因为在它们形成之初，引力将弥散的星际物质向中心吸引，而系统的初始自转及其在角动量守恒下的加速旋转，在垂直于旋转轴的方向上产生了离心力，对抗了引力，从而阻止了物质进一步向外扩张。最终，物质在垂直于旋转轴的方向上被“压扁”，在平行于旋转轴的方向上被“压缩”，形成了一个薄而圆的盘状结构。这就像甩动一根绳子，绳子上的沙子会被甩成一个盘，而你的手腕则是旋转的中心。
希望这样的解释能让你对这些天体系统的形状有一个更清晰的认识！
网友意见
因为系统形成时存在角动量。
先说一个可能让阁下感到意外的事实：银河系只有在银盘一块是呈明显盘状的，而对银河系外围的晕族恒星的观测显示，银河系在较大尺度上实际是呈椭球状的
这个问题是典型的自引力系统演化过程问题。球状的自引力系统也是存在的，而且数量相当多，比如球状星团和很多E型、S0型星系。
自引力系统可以自发地形成椭球状，因为椭球状系统的能量最低，最稳定。这个事实已经在19世纪被德国数学家雅可比（Carl G. Jacobi，1804-1851）证明了。
那么为什么很多的天体系统都是成盘状呢？这是因为在很多自引力系统形成的过程中存在因具有角动量而导致的“薄饼”现象和耗散。
对于存在角动量的自引力系统（提一句，球状星团之所以是球状，就是因为其球对称n体运动的随机性而不存在以下过程），其径向质点将受到引力作用向系统中引力势较低的方向运动。实际上这个问题并不难想象，但这个问题直到1977年才被林家翘等人通过解无碰撞的Boltzmann方程在动力学上严格证明。他们继续得到，对于一个“无碰撞”的这样的系统，存在一个瞬间，系统中绝大部份的质点都分布于一个平面上。这被称为“薄饼”（pancake）模型。
由于能量及角动量守恒，这类无碰撞自引力系统经历着椭球－薄饼－椭球－薄饼…这样的过程。但无碰撞只是个理想情况啊。。。实际上，自引力系统可能是稠密的气体或等离子体；质点可能因为局域引力或碰撞而发生散射，这都会导致自引力系统的机械能发生耗散；而正是耗散使得系统失去了部分“薄饼－椭球”过程所需的能量。久而久之，能量逐渐消耗，系统也逐渐稳定在类似于“薄饼”的状态下。
现在的太阳系是由上述过程产生的原恒星盘形成的，原恒星盘的不稳定性使得盘内物质形成行星。这就是为什么太阳系内的行星多分布于一个平面上：太阳系来自一张大饼；在垂直于饼面的方向上，机械能接近于零。
而对于星系，情况要更加复杂：星系会受到暗物质晕的影响，星系并合及并合方式、星系际介质（IGM）的注入都会对星系的动力学特性产生不可测的作用。我必须说人类对简单的椭圆星系的动力学也才刚刚起步，大致认为椭圆形状的维持是由整体角动量作用不明显导致的；对银晕的研究也在如火如荼地进行，欧洲的Gaia和我国的LAMOST都在做这个方向。
不过有一点是确定的：这些系统为什么是扁的，角动量是要负责的。
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