宇宙中的天体为什么会自转?这个问题的最直接答案是由于角动量守恒。但是角动量守恒其实只能解释它为什么能一直转,至于它一开始为什么会转起来则无能为力。所以我画了几个图来解释一下它们一开始为什么转。
我们首先从星系形成说起(历史的进程嘛^_^)。宇宙形成的初期,物质粒子(主要是氢和氦)几乎均匀地分布在宇宙当中。但由于物质的分布存在微小的不均匀性,又由于引力平方反比关系,随着距离减少物质间的引力急剧增加,因而这种不均匀性被彼此靠近的粒子迅速放大,引力平衡被破坏,物质粒子开始在引力作用下互相聚集。
在整个宇宙尺度下被互相靠近的物质粒子划分成不同的区域,由于引力作用,物质粒子开始缓慢聚拢,形成分子云团。由于气体分子各自带有不同的运动方向和运动速度,因此彼此之间因电磁力相互作用会发生碰撞和摩擦。
在气体分子碰撞和摩擦过程中,由于大部分情况下是非正面碰撞,而是擦边碰撞摩擦,这样,初始的角动量就产生了。这就像小孩子玩的抽陀螺,抽动陀螺的边缘,它就会转起来。
在碰撞和摩擦中由于部分动量和角动量因方向相反互相抵消,由于摩擦消耗掉部分能量而减速,消耗的部分能量会以热辐射的形式耗散掉,然后气体云越发聚拢。
由于气体云的角动量不可能刚好互相抵消为0,因此它必然最终有一个整体转动的方向,这就是气体云的初始角动量。经过漫长的时间演化,气体云团逐渐收缩,在收缩过程中,初始角动量产生的转动效果渐渐被放大,基于角动量守恒,它的转速会越来越快。这里有个常见的比喻,就是花样溜冰运动员和芭蕾舞演员,当她们展开双臂旋转以后收起双臂,转动速度就会加快。
最终就会形成一个漩涡般转动的气体云,漩涡星系的雏形就出现了。
同样由于漩涡内的物质不均匀性和引力平方反比关系,物质开始往密度大的地方聚集,在这些区域,大量的气体云坍缩产生了原始恒星盘,并基于同样的过程产生了中心恒星和各大行星。当然也有同一个气体云里产生多个互相绕转的恒星和恒星系的。
与星系一样,恒星很自然也是带有初始角动量的,因此在坍缩后也有了自转。然后在恒星的周围的剩余气体中产生一些小质量的矮星和行星,毫无疑问它们也是会自转的。
最后来一张动图结束问题吧!