如何回答孩子问我「星星是什么形状的呢」？ 第1页

球体，投影是圆形。要不为啥叫星球呢。实际上，宇宙中的天体一般都是非常接近完美的球体。有些小天体形状可能不规则。

原因大概有两方面。

一是万有引力。除了重力，我们平时可能很难感知到万有引力的存在。我们平常感知的力通常为电磁力，物质的化学键本质就是电磁相互作用。对于孤立的物质而言，其本身质量过小以至于引力远小于电磁相互作用（电磁相互作用量级约在 左右）小到可以忽略不计，但当一堆物质聚集在一起，引力会随着质量增加而增加。终究会超过电磁相互作用，在宇宙尺度上，电磁相互作用并不在主导作用。

我们可以简单算一下。以氢分子为例。H-H键键能为436kJ/mol，这就意味着如果我们要将1mol氢气分解成氢气原子需要436kJ的能量。平均到每个原子就是，其中为阿伏伽德罗常数，数值为 .而如果是在地球表面的氢原子，受到的引力势能约为：

其中M为地球质量，m为氢气分子质量。

可以看到地球表面的引力势能已经达到化学键同一数量级了，这就意味着，如果有一个星球体积与地球相同，但质量比地球高，比如其质量是地球的四倍，那么在这个星球表面，即使是氢分子也会被引力撕裂成氢原子，而太空中有很多比地球密度大的天体。像中子星、白矮星这些致密的天体，其引力势能就会高过化学键的键能，这样高的引力可以撕裂分子，甚至撕裂原子。不过大部分恒星的密度并不会比水高多少，这是因为在强大的引力下，恒星的核心产生极大的压力，在重压下，轻元素开始聚变，聚变产生大量能量，以光和热的形式释放，最终达到与引力的静力平衡，这样的星球表面温度极高，元素一般也以原子的形式存在。

总之，在大部分星球上，由于强大的引力，分子哪怕只比其他分子远离核心1m，都要更高的能量克服引力势能。因此，宇宙中的天体表面的“突出份子”就会在引力作用下向中心靠拢，最终达到大家引力相同的情形，也就是球形，实际上，球形的天体是正是能量最低的天体，是最稳定的。

另一个原因，是自转运动。天体自转会使得天体愈发圆润。天体自转时，角速度时相同的，半径越大，就意味着线速度愈大，这样在转动时就需要更大的向心力，否则就会甩飞出去。因此，，天体突出的部分有离开天体的趋势，如果天体表面突出太多，其与天体的合力（包括引力与电磁力）不足以提供向心力，“突出分子”就会在自转过程中脱离天体。不过另一方面，天体自转是一般有自转轴的，离轴越远的部分这种趋势会比较明显，这容易使天体在垂直自转轴的过中心的面的半径稍长一些。例如地球，地球的自转轴大致使南北极方向，因此地球赤道面半径比极点半径长，是个两极略瘪，赤道略鼓的椭球体。不过，地球赤道半径6378.137km，极地半径6356.752km，相差仅为0.335%，这比乒乓球还要圆一些。

这里小朋友可以做个实验，抱一个篮球原地转圈，分别将篮球抱在胸前和平举远离重心，尽量保证每分钟转的圈数时相同的，体会一下这两种情况手臂受到的力，注意是来自篮球的水平方向的拉力。现象不明显也可以用绳子拉着一个有一定质量的物体，保证转速相同的情况下更换不同长度的绳子感受一下来自绳子的拉力。如果物体质量过大，或转速过高，绳子有可能会断，需要注意安全。

综上，大质量天体形状总是趋向于球体。

参考文献：

[1]李鉴. 把地球劈成两半,就是两个"大碗"?——浅谈天体的形状[J]. 知识就是力量, 2020, No.569(04):52-55.