宇宙中有各種各樣的天體,包括密度較高、自成一體的恒星、行星、矮行星和小行星等,以及由彌散氣體組成的星際介質云,還有由這些天體組成的更大的天體,例如星團和星系。星團和星系的形狀多種多樣。星際介質云密度低,易受到其他天體物理過程的影響,遠離平衡態,形狀通常不規則。而在那些密度較高、自成一體的天體中,恒星是由氣體組成的,行星中有一些是氣體行星,有一些是巖石質行星,而矮行星和小行星大多是巖石組成的。
恒星和氣體行星的形狀通常都接近球形,因為在平衡狀態下,這些天體的表面是引力勢的等勢面,而引力勢的等勢面接近于球面。這有點像航天員在空間站里喝水時,水會自然形成一個水球。巖石質行星和矮行星的形狀接近球形,而小行星的形狀通常都不規則。
巖石形狀不規則容易理解,但為什麼有的巖石質天體形狀接近球形呢?這背后的原因可以從地球上的山的高度講起。我們先來看一下一個巖石質天體表面的起伏能有多大。
山的高度
地球上海拔最高的山峰是珠穆朗瑪峰,海拔8848米。但要說地球上從山腳算起最高的孤立山體,應該是夏威夷大島的冒納凱阿火山(Mauna Kea,夏威夷語的意思是「白山」),從海底的山腳算起,到山頂有10千米多一點。未來地球上還會有更高的山麼?大概不會有了。可以從理論和實例兩方面來說明這個問題。
一方面,巖石的強度是有限度的,所以山的高度一定有上限。具體說,當一座山由于擾動降低一個很小的高度h,所釋放出來的重力勢能如果能熔化山的底部厚度為h的一層巖石,使其變為流變體,那麼這座山的高度就達到了極限。因為即使山再增高,由于山底部巖石的熔化也會將高度降低。所以山的極限高度反比于重力。
按照巖石主要成分為二氧化硅計算,地球上山的高度極限大約為14.5千米,就是10千米的量級[1]。
另一方面,夏威夷大島有另外一座火山,還在不斷活動,但是噴發物的堆積不再顯著增加山的高度,而是向周圍流動形成了非常長的山坡,這座火山就是莫納羅亞火山(Mauna Loa,夏威夷語的意思是「長山」),從海底的山腳算起,這座山的高度也差不多是10千米。不斷的噴發讓這座山成為了地球上最大的孤立山體,但并沒有讓它的高度增長很多。
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