為何行星都在同一平面上公轉？

利維坦按：想像一下印度飛餅的製作過程。一塊大麵糰在不斷的旋轉之後變成一張近似圓形的餅面，這便是行星能夠在同一平面公轉的成因。行星系的初始星團狀態是不穩定、不均勻的，非平衡狀態使其在某一個維度上首先發生坍縮，爾後的運動就像是旋轉的麵糰——直至最後變成一個二維平面。

再往後，引力在密度大的地方催生出行星，再逐漸形成星系……這是飛餅製作過程中做不到的。

譯/夏夜夜夜

校對/一粒宸

原文/www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/03/01/why-do-all-the-planets-orbit-in-the-same-plane/#3ba2cd7c56c6

本文基於創作共同協議（BY-NC），由夏夜夜夜在利維坦發布

根據對行星形成過程的模擬結果，行星通常排列成盤狀，與我們觀測到的太陽系類似。圖源：Thomas Quinn et al., Pittsburgh Supercomputing Center

我們所處的太陽系秩序井然：四顆內行星（水星、金星、地球和火星）、一圈小行星帶和四顆氣態巨行星（木星、土星、天王星和海王星）全都在同一平面繞太陽公轉。就算向更廣闊的宇宙探索，柯伊伯帶（Kuiper belt）天體也遵循同樣的排列方式，位於同一平面上。

太陽畢竟是個球體，如果這些行星都位於同一平面只是偶然，那未免也太巧了。在我們已觀測到的所有系外恆星系中，行星幾乎都位於同一平面，無論這些星系位於何方。根據目前掌握的知識，本文將為您解釋這背後的科學道理。

繞太陽公轉的八個行星幾乎處於同一平面，即不變平面（Invariable Plane）。據我們所知，這也是各恆星系行星的典型排列方式。圖源：Joseph Boyle of Quora

目前，我們已經極其精確地繪製出了太陽系行星的公轉軌道，並發現所有行星都在同一二維平面上繞太陽公轉。不同行星的公轉平面角度相差最多不過 7°。

水星離太陽最近，公轉平面傾斜角度也最大，如果將其排除在外，你會發現所有行星都排列有序，各行星的公轉軌道平面與不變平面的夾角平均只有2°左右。

水星離太陽最近，公轉平面傾斜角度也最大，如果將其排除在外，你會發現所有行星都排列有序，各行星的公轉軌道平面與不變平面的夾角平均只有2°左右，這令人驚嘆的精度全是大自然的手筆。圖源：Wikimedia commons author Lookang

這些行星的排列方式與太陽的自轉軸也密切相關：當行星邊自轉邊繞太陽公轉時，太陽本身也在自轉。如你所料，太陽自轉軸與行星公轉軌道平面的夾角也約為7°。

你肯定覺得，這些行星之所以排列得這麼整齊，背後一定有什麼玄機，不然它們的公轉軌道就會隨機排列，因為讓這些行星待在固定軌道上的是引力，而引力的作用原理在所有維度都始終如一。比起繞著井然有序、近乎完美的圓形軌道公轉，這些行星亂成一窩蜂才更說得通。

問題是，如果從太陽出發深入宇宙，只要走得夠遠，越過那些行星、小行星和類似哈雷的彗星，再穿過柯伊伯帶，你會發現，那裡確實亂成了一窩蜂。

目前普遍認為奧爾特雲（Oort cloud）為混亂無序的球體雲團，但被其包圍的柯伊伯帶大體仍為盤狀，其中的行星均在不變平面上。圖源：NASA and William Crocho

所以到底是什麼讓太陽系的行星排列在同一平面上，繞太陽公轉，而沒有亂成一窩蜂？為了揭開這個謎團，我們要讓時光倒流，回到太陽形成之初。當時太陽還只是一團氣態分子雲，宇宙中的所有新生恆星都是由這種物質演化而成。

圖為一大團分子雲，這種分子雲在銀河系和我們附近的星系中清晰可見。這些雲團經常碎裂，收縮，久而久之，巨大的恆星就由此誕生。圖源：Yuri Beletsky (Las Campanas Observatory, Carnegie Institution for Science) (L); J. Alves, M. Lombardi and C. J. Lada, A&A, 462 1 (2007) L17-L21 (R)

當分子雲溫度足夠低，且膨脹到被重力束縛時，就會在自身重力作用下收縮並坍塌。上圖左的煙斗星雲就是個例子，星雲中某些區域的密度會變大，而密度足夠大的區域就會產生新的星團（圖右中的圓圈）。

乍一看就能發現，這團星雲並非完美的球體，而是不規則的細長形，其他類似星團也不例外。 引力無法容忍這種不完美。引力屬於加速力，物體到某大質量天體的距離每減少一半，它受到的引力就翻兩番。因此物體間的初始差異就算再小，也會在短時間內被引力迅速放大。

2004年至2006年間，哈勃望遠鏡團隊拍攝到的獵戶座星雲的可見光合成影像。圖源：NASA,ESA, M. Robberto (Space Telescope Science Institute/ESA) and the Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team

因此，演化過程中的星雲形狀都很不對稱，氣體密度最大的地方就會形成恆星，而只要看向星雲內部，就會發現其中的單個恆星基本都是完美的球體，就像我們的太陽一樣。

在獵戶座星雲內的可見光（圖左）和紅外線（圖右），這團星雲內有個巨大的恆星團，說明此類星雲在十分活躍地孕育恆星。圖源：NASA; K.L. Luhman; and G. Schneider, E. Young, G. Rieke, A. Cotera, H. Chen, M. Rieke, R. Thompson (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Ariz.); NASA, C.R. O』Dell and S.K. Wong (Rice University)

由於星雲本身就極其不對稱，其中凝集成團的單個恆星形狀既不規則，也不對稱，且密度過大，因此恆星會在三維空間中的某一維開始整個瓦解過程。你、我還有原子都是由原子核和電子構成的「物質」，而物質發生碰撞時，會粘在一起，相互作用，形成細長的物質盤。沒錯，引力會把大多數物質拉到盤中心，恆星就這裡形成，恆星周圍就是所謂的原行星盤。多虧哈勃望遠鏡，我們已經能直接觀測到原行星盤！

圖為距我們約1300光年的獵戶座星雲原行星盤，這些原行星盤將來會演化成與太陽系類似的恆星系。圖源：Mark McCughrean (Max-Planck–Inst. Astron.); C. Robert O"Dell (Rice Univ.); NASA

正因如此，在觀測原行星盤時，我們看到的是秩序井然的平面，而不是亂七八糟的一團。再深入探索，就得靠模擬了，畢竟人類是個年輕的物種，我們還沒來得及見證原行星盤誕生的全過程。對任何年輕的恆星系來說，這個過程都要持續約100萬年。下圖為模擬結果。

根據模擬，不對稱物質團的某一維度會首先開始收縮，而後開始旋轉。這個「盤」就是行星誕生的地方。哈勃望遠鏡等設備能直接觀察到多數行星形成過程的中期階段。圖源：STScl OPO?—?C Burrows and J. Krist (STScl), K. Stabelfeldt (JPL) and NASA

隨著越來越多的物質聚攏到星雲中心，星雲還會繼續收縮。但由於其中大部分物質變成漏斗型，星雲中的大量物質將排列成一個平面，穩定地繞恆星公轉。

到底為什麼？

想回答這個問題，要先了解一個物理量——角動量（angular momentum）。它能告訴我們原行星盤本身（包括氣體、塵埃、恆星在內）的旋轉幅度。根據角動量守恆定律，角動量在盤內星子間分布均衡，也就是說盤內所有物質都向大致同一方向（順時針或逆時針）旋轉。隨著時間的推移，雲盤的大小和厚度會穩定下來，原來不明顯的引力不穩定性開始增強，行星隨之形成。

雲盤內部和雲盤間的初始狀態確實有細微差異，相互作用的行星之間產生的引力效應也不可忽視。星雲中心形成的恆星並非一個點，而是一個已經擴張的天體，它位於一個直徑100萬公里的棒球場中。上述因素協同作用，最後行星軌道組成的平面雖然不是完美的奇異平面，但也十分接近了。事實上，三年前，我們才首次觀測到，太陽系外的行星系統是如何產生新的行星，這些行星的公轉軌道又如何形成統一平面。

ALMA拍攝到的新生恆星金牛座HL（左上角）及其周圍的原行星盤。圖源：ESA / NASA

上圖左上角的年輕恆星金牛座HL位於星雲邊緣，周圍有原行星盤環繞，距我們約450光年以外。這顆恆星才100萬歲左右。這張圖片要歸功於阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA），該長基線陣列能捕捉到波長以毫米以及肉眼可見光波長1000倍以上的光線。

ALMA拍攝的圍繞著金牛座HL的原行星盤，其中的縫隙說明此處有新行星。圖源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

顯而易見，盤內所有行星都在同一平面，除此之外，盤內還有黑暗「縫隙」，每條縫隙中都孕育著一顆年輕的行星，我們還不知道這些行星哪些會相互融合，哪些會被踢出盤外，哪些會向盤內遷移，最終被母恆星吞噬——但我們已經見證了年輕恆星系發展過程中至關重要的一步。

我們雖然觀測過年輕的行星，但卻從未目睹這個特殊的階段。我們也曾觀測過更為成熟的恆星系，其幼年、中年和老年時期都壯觀無比。無一例外，這些恆星系的行星公轉軌道都在同一平面上。

圖為繞恆星HR8799公轉的四顆行星，該恆星在地球129光年外。圖源：J. Wang (UC Berkeley) & C. Marois (Herzberg Astrophysics), NExSS (NASA), Keck Obs.

那為什麼同星系的行星都在同一平面公轉呢？因為它們由一團不對稱的氣態雲組成，氣態雲最短的一側會先坍縮，物質先四處飛濺，又聚合到一起；另外氣態雲雖然會收縮，但物質最終都會繞其中心旋轉，行星正是由這個年輕物質盤的缺陷演化而成。同一星系行星的公轉軌道最後都在同一平面上，彼此之間的夾角最多不過幾度而已。

在理論計算的基礎上，目前的觀測結果與模擬結果高度吻合，即同一恆星系的行星公轉軌道都在同一平面上，這是在全宇宙都顛撲不破的真理。從恆星系精彩非凡的演化過程及其中的種種細節中，我們得以窺見這條真理為何如此引人讚歎，以及它所蘊含的知識是多麼豐富。

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