問：為什么很多星系（包括我們的太陽系）和土星的環(huán)是平坦的？
答：物理學(xué)家到目前為止給出的最簡短的答案是——“吸積”。
黑洞吸積
吸積：在幾十億年內(nèi)使天體變得平坦
吸積是指物質(zhì)在引力作用下從塵云或氣體云或（通常情況下）兩者皆有的云團坍縮的過程。在思考一片龐大的氣體云在由外向內(nèi)碰撞和坍縮時會發(fā)生什么之前，我們有必要探討一下兩大團塵云撞向?qū)Ψ綍r會發(fā)生什么。
彈性碰撞（上）與非彈性碰撞（下）
在一個完美的彈性碰撞中， 物體彈開的角度會和它們碰撞時的角度一樣。然而大多數(shù)碰撞都是非彈性的，這意味著碰撞的物體會在這個過程中損失能量，且物體運動軌跡間的夾角也會在碰撞后變小。在最極端的非彈性碰撞中，碰撞的物體甚至?xí)尺B在一起；對于微小粒子間的碰撞，這種情況會比我們所想象的更容易發(fā)生。
鹽在零重力時因為靜電力自發(fā)的粘連在一起
隨著時間，碰撞會以散熱或發(fā)光的形式釋放能量。因為損失能量意味著那些微小的塵埃顆粒和氣體分子的運動會逐漸變慢（而這意味著它們會掉到越來越低的軌道上去），這些能量上的損失使得云團會在形態(tài)上收縮。但是碰撞也會使云團中的粒子的運動軌跡趨向一致。因此， 一個“漲大蓬松”的云團中的塵埃氣體分子本來可能在向各個任意方向運動，在經(jīng)過吸積作用后，它們最終會演變成一個同一的旋轉(zhuǎn)的平面。
每一個氣體分子和塵埃顆粒都因為其他分子和顆粒的共同的引力作用（引力在這里不是某一個特定的點產(chǎn)生的，而是所有云團中物質(zhì)的引力的合力）而沿著它們自己的旋轉(zhuǎn)軌道運動。盡管每一個顆粒運動的路線是非常隨機的，云團在沿某個方向總會有一個凈旋轉(zhuǎn)。這種說法的依據(jù)是，星際中的任何一個云團在誕生時會或多或好帶有一點旋轉(zhuǎn)。這很好理解：當(dāng)我們往杯里倒咖啡時，最起碼會有很小一部分咖啡在杯子里轉(zhuǎn)動。在宇宙中，同樣的渦流也會自然的出現(xiàn)在所有比咖啡杯更大的尺度中。因此，總體來看，任何宇宙中的云團都會沿某一方向轉(zhuǎn)動。
星系UGC 12158的照片。這是被認(rèn)為是在外觀上最類似于銀河系的星系。
云團中的物質(zhì)會一直互相發(fā)生碰撞直到它的每一部分都經(jīng)歷了以下三種過程之一：1.逃逸，2.掉向中心，3.隨著云團內(nèi)顆粒流動方向運動。云團的大部分物質(zhì)最終都會到中心。我們的太陽系就是一個很好的例子，在我們太陽系中心，太陽占據(jù)了99.86%的總質(zhì)量。而那些停止碰撞隨流動方向運動的物質(zhì)組成了外面的環(huán)。
任何不在這個環(huán)平面上的物質(zhì)的軌道勢必會穿過這個環(huán)面，這就意味著碰撞會繼續(xù)發(fā)生，能量會繼續(xù)損失。最終，那些軌道不在環(huán)上的物質(zhì)要么會和環(huán)上的物質(zhì)一起運動，進(jìn)入環(huán)軌道，要么就會因為失去過多的動能而墜落到環(huán)所繞的行星或恒星。事實上，在我們的太陽系中，仍有很多不受吸積影響的“太空流浪者”（小行星）在等待著“加入”（撞擊）行星。
那些環(huán)本身其實就很令人興奮。在環(huán)的內(nèi)部，有一些因為更高的密度而區(qū)別于周圍物質(zhì)的塊狀團狀物會吸引周圍物質(zhì)。最終，這些“團塊”會在大的吸積盤中形成小的吸積盤。我們太陽系的黃道面作為一個大的吸積盤中又形成了小的吸積盤而最終演變成了我們現(xiàn)在熟知的八大行星。木星作為其中的一個小吸積盤，它的吸積盤上又形成了更小的吸積盤最終演變成了它的衛(wèi)星。
事實上，木星的衛(wèi)星的運動方式和八大行星繞太陽運動的方式如此之相似（都是在一個平面上繞中心運動），以至于是它們讓早期天文學(xué)家初步了解我們的太陽系。作為地球上的觀察者，我們在大的吸積盤平面上的視角使我們很難了解到行星運動的方式，但是，木星外部的這樣一種運動狀態(tài)讓我們可以從外部觀測，幫助我們了解這一運動系統(tǒng)。
行星總是在一個平面內(nèi)運動
因此，那些“塊狀物”便使得我們正要講下去的故事中加入了一些混亂。行星和衛(wèi)星不只是簡單的繞恒星旋轉(zhuǎn)， 它們也互相影響著對方。有些時候，這種影響會產(chǎn)生很酷的事情，如行星之間的撞擊和大爆炸?，F(xiàn)在解釋我們月球如何形成的最著名的理論就是這種撞擊。但是，這種互相的影響有時也會把小的物體拋入奇怪的吸積盤平面之外的軌道。對于天文學(xué)家來說，知道行星常被發(fā)現(xiàn)于同一平面使得他們的工作更輕松。從地球上看，黃道就像是一個其他行星都不會離開的薄薄的環(huán)帶。
冥王星因其軌道接近于其他行星軌道平面且也在這個環(huán)帶中，便成為了我們繼發(fā)現(xiàn)谷神星后的第二顆矮行星。矮行星齊娜和它的衛(wèi)星加布里埃爾的軌道因為距黃面太遠(yuǎn)了，所以直到2005年才被發(fā)現(xiàn)（畢竟天空是個很大的地方）。齊娜和加布里埃爾的官方名字分別叫鬩神星和鬩衛(wèi)一（戴斯諾米婭），但我還是喜歡發(fā)現(xiàn)者最早取得名字。無論如何，我們知道了這些天體可以有怪異且不穩(wěn)定的軌道，但這也意味著它們必須離太陽更遠(yuǎn)，否則就會不可避免的撞上其他天體，這也是為什么齊娜通常軌道半徑都是冥王星的兩倍。
從極面看冥王星軌道。此視角顯示冥王星的軌道（紅色）比海王星軌道（藍(lán)色）離心率更高、冥王星有時比海王星更靠近太陽。深色部分表示該段軌道穿過黃道面進(jìn)入黃道下方。
不是所有物質(zhì)都能形成吸積盤的。想要形成吸積盤，物質(zhì)之間必須要互相影響。氣體和塵埃參與絕大多數(shù)這樣的互相作用，然而一旦它們成型了，星體之間很少會有這樣的作用了。舉個例子，當(dāng)大概四十億年后仙女座星系和我們的銀河系相撞時，恒星之間相撞的概率很小，因為在星系這樣的尺度下，它們都太小也離得太遠(yuǎn)了。然而，那些兩個星系中的巨型星云會撞向?qū)Ψ饺缓笠鹨魂囆潞阈呛铣?。四十億年后的天空一定是無比的絢爛。
約37.5億年后兩星系的夜空圖
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翻譯：天文志愿者- Henry Cui
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1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3.原文來自：https://www.askamathematician.com/2014/04/q-why-are-many-galaxies-our-solar-system-and-saturns-rings-all-flat/
本文由天文志愿者- Henry Cui翻譯自The Physicist的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運營者刪除。
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