为什么所有的行星都位于同一轨道面上？

太阳系中的行星为什么都处于同一轨道面而环绕太阳公转呢？为什么它们公转的方向也都相同呢？

当我们想象太阳系的时候，我们往往就会想到这样的一幅画面：一个圆盘上有许多圆环，这些圆环就是行星运转的轨道。考虑到从孩儿时我们就被这样灌输，我们自然就会认为所有的行星都是在同一轨道平面上。实际情况还不止这些，这些行星还都以同样的方向环绕着太阳公转。

你是否思考过为什么会是这样呢？这么大的一个巧合？或是有什么外力造就了如此的状况？如果存在这样的进程，我们是否在某处能找到证据？

正如你可能猜到的那样，这不可能是一个巨大的巧合！说明一下：我们观察到的行星沿着同一轨道面环绕着太阳公转，这些行星的卫星也是如此环绕着这些行星在同一轨道面上公转。所有的气态巨星都有常规卫星，这些卫星也沿着其行星轨道面环绕公转，公转的方向也都相同。

土星环也是位于与土星卫星公转的轨道面上，以顺时针方式优雅时尚地环绕着土星公转。既然我们可以看到大量的这种情况，那这一切是如何发生的 ？

咱们还是先回到数十亿年前吧！那时太阳系还未形成。(1:20) 在HII星云或恒星孕育孕育室的核心深处，气体与尘埃悬浮在其中；每一个粒子都具有内部排斥力，都阻碍着被其他粒子的引力 吸引。直到有一天，如同超新星的冲击波那样的外部能量对其作用，从而唤醒了位于星云孕育室中的气体与尘埃，打乱了向内的压力，引起粒子相互碰撞并聚集在一起。

很快，这些聚集在一起的粒子堆与其他粒子堆相互吸附，它们的质量与引力随着一颗颗粒子的不断附着而增大。在随后的几千年中，陷落到此的物质造成其获得更多的能量，引起中心处的物质变热。随着来自星云孕育室的更多物质的质量与引力的增加，它们更多地被吸附，形成了现在所谓的原恒星、也称作少年恒星，此时它们的核心还未开始进行核巨变。

首先，原恒星周边的陷落物质会从任何方向被吸引过来，引起原恒星周边环境的极度混乱。粒子之间定期发生碰撞，通过碰撞，粒子的角动量就会抵消。然而，由于塌陷的星云具有总动量，这些陷落粒子的接近方式并不相同；于是，结果就成为：从各个方向过来的粒子接近星云时，粒子大部分动量被反向而来的粒子动量相抵消，最后留下的就是大部分粒子运转的方向。

这是Dan Burns所制作的一段出色图文。他用一张莱卡布代表时空；在莱卡布中央放置一个球体，其重量很大足以造成时空的弯曲；它还产生引 力，这一引力与宇宙中三维空间的引力起到相同的作用。Dan将手中的许多小球球向环绕中心球体的两个方向扔出；小球环绕着中心球体运转；当它们与运动方向相反的小球相碰撞时，动量抵消；最后只剩下没有发生任何碰撞并一直沿着相同方向绕转的小球。

其实，莱卡布上的摩擦力在太空中并不存在，所以可以想象粒子会继续沿着轨道环绕公转，这与演示中在莱卡布上的小球会逐渐减速所不同。当然，这是一种以二维演示代表位于四维宇宙中的三维平面上的运动，所以需要将这些粒子想象成也沿着另一个轴环绕。这些粒子在原恒星周边并不仅仅是从两个方向过来，它们来自从四面八方，相互碰撞的就抵消，最后只留下明显的绕转方向，产生了 “原行星盘”。

陷落物质落入原恒星的同时，冲击的角度造成原恒星开始以与星盘旋转相同的方向旋转。

随着落入原恒星的陷落物质越来越少，取而代之的是它们会停留在环绕的轨道上，于是这些物质就开始再次聚集。如果物质聚集能成为一体，这样就会形成另一个恒星，可能是双体，或多星体系。否则，这些聚集逐渐就合并成为行星。

这些行星的周围，类似的星盘即原行星也形成了，并引起行星也以与星盘旋转相同的方向环绕，星盘中的物质逐渐形成卫星。

这些物质的聚集今天仍然可以观察到。如：拥有其特有的巨大星盘的土星。人造土星探测器卡西尼在执行任务中，能看到小卫星在土星环上的形成，就像物质从不同的引力作用下聚集在一起；这些卫星中有些会很快崩溃(分离) ，我肯定在太阳系早期的时候也发生过类似现象；有些小卫星可以一直延续到卡西尼任务的结束，或许它们会逐渐形成非常小的卫星，正如有些牧羊犬卫星那样，在环绕环上开辟自己的轨迹。

其实，太阳系的环绕轨道平面并不是一个绝对的平面，有些行星与这个平面保持几度的倾斜，但这仍然是同一种方式。自然几乎是绝对完美：如此混乱的情形竟然逐渐形成了平和、有秩序的世界！

由于太阳系的物质，如小行星与彗星不断地在通过冲击行星寻找自己的家园，碰撞越来越少。通过测量像卫星之上暴露天体的环形山寿命，我们发现碰撞次数已大幅度减少。

从这些观测中，我们能看到行星在混乱的初期阶段，曾经受到小行星与微星的猛烈碰撞，随着更多物质进入有序状态，碰撞的次数逐渐减少，直到形成了我们今天看到的太阳系。这是一种典型的自然现象，通过自组织而形成所谓的新兴结构。

自然界中还有其他的自组织新兴结构与此过程极为相似，比如：飓风的形成过程。新兴结构基本发生于这样的环境：其无序性可以提升复杂性与强吸引性，并能有序形成结构。我们看到太空轨道面中的自组织可以发生在行星系、太阳系、甚至可以在银河系。顺便提一下，我们在恒星级行星形成过程中也能看到自组织， 如：宇宙大爆炸。鉴于这些证据，我们就会假定这一类似的过程也造就了其他恒星系统；还好，我们刚好具备观察其他的巨大行星在类似的轨道面上环绕其恒星公转。

好了，我们有了答案！为什么所有的行星都在同一轨道面上！

BY: 周洪波 (hongbo_0309)

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选文：天文志愿文章组-

翻译：天文志愿文章组-周洪波 (hongbo_0309)

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：https://www.youtube.com/watch?v=ceFl7NlpykQ&list=WL&index=82

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