问题

卫星/小行星的质量要多大,才能基本成为球形?

回答
卫星或小行星要能基本形成球形,这可不是随便一个太空岩石就能做到的。这背后有一套自然规律在起作用,简单来说,就是引力在与自身的刚性较量。

想象一下,一个不规则形状的太空物体,比如一块长条状的陨石。它有自己的形状,周围的物质分布也不均匀。但是,当它开始聚集越来越多的物质,质量也越来越大的时候,它身上那股自身产生的引力就开始变得不可忽视了。

引力的作用:向中心聚集

引力是一种非常“公平”的力量,它总是把所有的物质往物体的质心(质量的中心点)拉。对于一个大质量的天体来说,这个质心就像一个无形的“吸引器”。质量越大,引力也就越强。

当一个天体的引力强大到一定程度时,它就会开始克服物质自身的“骨架”或者说内部的结构性力量,把物质从高处往低处拉。你可以把它想象成一个非常非常大的橡皮泥球,你从橡皮泥球的边缘往中间挤压,它就会慢慢变得圆润起来。只不过在太空里,这个“挤压”的力量就是引力。

物质的自身刚性:抵抗变形

当然,物质也不是毫无抵抗力的。岩石、冰块都有它们自身的“硬度”,也就是我们说的刚性。刚性强的物质更不容易被拉伸或压缩变形。

所以,问题就出在这儿了:引力需要足够强大,才能压倒物质的刚性,将它塑造成一个相对均匀的形状。

临界点:什么时候开始变圆?

天文学家们对这个临界点有所研究,但它不是一个绝对精确的数字,而是有一个范围,并且会受到很多因素的影响,比如:

物质的成分: 冰比岩石更容易被引力塑形。如果一个天体主要由冰构成,它会比主要由坚硬岩石构成的天体更容易变圆,哪怕质量差不多。
内部结构: 一个已经被撞击得支离破碎的天体,其内部的连接力会大大减弱,引力就更容易发挥作用。
自转速度: 天体自转太快会产生离心力,抵抗引力使其变成球形。赤道地区的物质会被“甩出去”一些,让天体在两极变扁,形成一个椭球体,而不是完美的球形。

大约需要多大的质量?

尽管如此,我们还是有一些经验性的估计。

直径几百公里是门槛: 通常认为,直径达到大约 400到1000公里 左右的天体,其自身的引力就有可能克服物质的刚性,使其趋于球形。
以质量来衡量的话: 这个直径对应的质量,对于岩石天体来说,大约在 10^20 千克 的量级。这个数字很大,但和地球(大约 6 x 10^24 千克)比起来,还是小巫见大巫。

为什么小行星带里的很多都不是球形?

你可能会问,为什么在小行星带里能看到那么多奇形怪状的小行星?原因就在于它们的质量不够大,引力不足以让它们变成球形。它们更像是“太空里的碎石堆”,被宇宙早期碰撞的碎片聚合而成,或者它们本身质量就小。

“球形”的定义:静力平衡

天文学家们称这种由引力塑造的、达到一定圆润程度的天体为静力平衡体(hydrostatic equilibrium)。这意味着天体内部的物质在引力和自身刚性之间找到了一个平衡点,整体形状是相对稳定的,并且呈现出近似球形。

所以,总的来说,当一个天体积累到一定的质量,让它的引力足够强大,能够压倒构成它的物质本身的“骨架”时,它就会开始向内坍缩,最终呈现出球形。这个临界点的直径大约在几百公里,质量则在 10^20 千克 这个量级,但这只是一个大致的范围,具体的数值会受到物质成分、内部结构和自转速度等多种因素的影响。小行星带里那些奇形怪状的小家伙们,就是因为质量不够“级别”,还在自由奔放的形状里遨游呢。

网友意见

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我来抛个砖,希望引到大佬们来献玉。我没有专门学过行星物理,仅从一个数量级的角度进行一点估算。

先明确一下这篇回答的前提,姑且认为讨论的是 已经冷却的岩质行星。如果是气态行星,基本上只要凝聚的起来,就是(近似)球体吧(这个论断没有仔细推敲过,直觉应该是这样,有时间了也可以讨论一下);另一方面,在行星形成的初期,即使是岩质行星,也是高温而整个星球近乎于流体的,也更容易形成球体状态。

从行星这个尺度来看,有两种力量在进行对抗。一种是引力,引力作用使得行星要尽量变成球形,以达到能量更低、更稳定的状态;一种是组成行星物质的内部作用力,这种作用力使得行星尽量维持本来的状态。要改变形状,就要打破行星物质内部的作用力。

如果行星要变成球形,那一定是引力要占上风。也就是说,行星在引力作用下,从非球形变成球形,释放出的能量,足以破坏掉物质内部作用力。

我们来看一个简单的例子:在一个已经是球形的行星上,叠放一个小的立柱,底面积为 A,高度为 h。

这个立柱的引力势能为

这里 ρ 是岩质行星的平均密度,R 是行星半径

如果让立柱稍稍变矮一点点,所释放的引力势能,足以破坏立柱底面的物质,那么这个立柱就会在引力的作用下坍塌,行星就会回到球形的状态。

破坏立柱物质所需要的能量为

这里 μ 是分子摩尔质量,E0 是每摩尔分子键键能

为了让立柱的崩塌能够自发进行,也就是要满足

化简得到

带入具体数据,行星平均密度参照地球密度来,ρ~5.5×10^3 kg/m^3,立柱高度设为行星半径的百分之一,h~0.01R,也就是这个球形行星表面不会有大于 0.01R 的起伏,分子键键能约为 1~10 kJ/mol,这里取中间值 E0~5 kJ/mol,分子平均摩尔质量参照 SiO2 来算就是 μ~60×10^-3 kg/mol,带入计算,得到

如果允许 0.1R 的起伏,那么行星半径为

所以,从数量级上来说,一个 已经冷却的岩质行星,能够自发保持球体状态,半径应当是大于 1000 km 这个数量级的。这里必须要强调「自发」,也就是说,在外力作用下,比如这个星体被一颗陨石撞击了,形成一个大坑,而这个大坑在引力作用下随着时间会逐渐平复,最终整个星球表面对球面的偏离不会超过 0.1R 这个数量级。当然,越大的星体,这个偏差就会越小。

最后,我们用地球为例来做个验证,地球半径 6400 km,按照这个计算,地球表面最大的偏差 h(高于或者低于平均球面)应该是 10 km 这个数量级,我们知道世界最高峰珠穆朗玛峰高度 8.9 km,最深的马里亚纳海沟深度 11 km,数量级上是完全吻合的。

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谢邀。不是天体物理学专业人士。好不容易被邀请,这题下面回答又不多,故特来强答。

材质为流体的星体,无论多小都是球形,因为真空中的流体天然就是球形。现在的问题是,诸如月球、土卫六等固态的星体在形成之初,因为高温的缘故也是流体,所以球形是天然形成的,跟质量没什么关系。

大部分恒星系自身孕育的行星和大质量卫星,都是在星系形成之初的高温、高能量下与母体分离,成为独立星体的。

小行星、彗星等,之所以大多数形状不规则,是因为他们本身是行星或大卫星在冷却成为固态以后遭到撞击而形成的碎片。

现在假设地球遭到高强度撞击,被撕裂成质量差不多相等的两个部分,撞击影响消除后两者形成双星系统,要知道这样强度的撞击释放的能量是足以熔化地球表面坚硬的岩石的,所以这个双星系统也会变成球形。

所以这个问题就可以转换成,多大质量的冷却固态星体的撞击强度可以刚好不足以熔化表面的岩石?

这个当然和岩石的成分有关系。

如果简化成为一个数学模型的话,就是质量为m1, 相对速度为v,的一颗流星撞向地球,分裂出一块质量为m2的碎片。其动能全部转化为热能,表面岩石比热容为c, 加热至熔点要提高n度。

则m2=[(1/2)(m1)(v**2)]/(cn)为其成为球形的临界质量。

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