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星云 是什么力量“壓著”行星軌道，讓它們幾乎處在同一平面上？

“希望不是確信某事會有好結果，而是確信某事有意義，不管結果如何。”——瓦茨拉夫·哈維爾我們太陽系共有內外八大行星，這些行星大小各異，分布在不同的軌道上，每一個都有自己獨特的性質和環境，但是幾乎所有的行星軌道都在同一個平面上，整個太陽系看起來就像一個中心凸起的扁平狀圓盤。但這是為什么呢？
各大行星的運行軌道基本處在同意平面，幾乎很完美乍一看，這樣完美的規律性，似乎非常不可能。看下圖：這就是我們太陽系的實際情況。


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今天，我們能以非常高的精度繪制出了各大行星的運行軌道，我們發現它們都在同一個二維平面上繞著太陽公轉，其軌道平面最多相差7°。
這么有規律的秩序和我們的直覺相反，讓人覺得除非有什么東西導致這些行星都被夾在同一個平面內。因為我們認為軌道的方向完全可以是隨機的，引力（使行星保持穩定軌道的力）在所有的三維空間中都是一樣的。
因此我們可能會認為太陽系更像是一群蜜蜂一樣，而不是一組漂亮、有序的近乎完美的圓圈。其實這樣想也沒有錯，如果我們遠離太陽系，在行星和小行星之外，在哈雷彗星的軌道之外，在柯伊伯帶之外、甚至在奧爾特云之外，我們就會看到一個凌亂的太陽系。看下圖


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那么，究竟是什么導致了我們的行星形成一個圓盤？在一個平面上繞太陽運行，而不是作為一個群體？為了理解這一點，讓我們回到太陽系最初形成的時候：從一個氣體分子云開始，正是它產生了宇宙中所有的新恒星。


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當一團分子云的質量足夠大，受到引力的束縛，并且溫度足夠低，就會在自身重力的作用下收縮，就像左上的煙斗星云，它將形成密度足夠大的區域，在這些區域會產生新的星團（右上圓圈中的點）。
我們會注意到，這個星云以及任何類似的星云并不是一個完美的球體，而是呈現出了不規則、細長的形狀。而引力十分挑剔，容不得任何瑕疵，只要存在微小的不均勻就會其崩塌，而且引力還是一種與距離呈平方反比的力，當與一個大質量物體的距離減半時，引力就會增加四倍，氣體云在初始形狀上的微小差異就會在短時間內極大地放大某個方向上的引力。


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結果就會形成一個形狀極不對稱的恒星形成星云，恒星形成的地方正是氣體密度最大的地方。問題是，當我們看里面的單個恒星時，它們是非常完美的球體，就像我們的太陽一樣。


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但就在星云本身變得非常不對稱的時候，星云內部形成的單個恒星來自于星云內部不完美、密度過大、不對稱的團塊。
這些團塊首先會在三個維度中的一個方向上首先坍縮，因為正常物質（由原子核和電子組成的原子）相互碰撞時就會發生電磁相互作用，并且會粘（結合）在一起，最終會形成一個扁平的圓盤，或稱物質圓盤。同時萬有引力會把大部分物質拉向中心，也就是恒星形成的地方，但在它的周圍，我們會看到所謂的原行星盤。哈勃太空望遠鏡已經直接觀測到了這些圓盤！其直接證明了我們的行星形成理論是正確的。


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所以從一開始我們就得到一個在平面上更整齊的原恒星系，而不是一個隨機聚集的球體。要進入下一步，形成行星，就必須等靠理論建模模擬了，因為在一個年輕的恒星系中，行星形成過程至少得需要百萬年以上，我們不能去長時間的觀察。


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原行星盤在一個維度上經歷“坍縮”以后，會隨著越來越多的物質被吸引到中心而繼續收縮。但是當大部分的物質被匯集到內部時，大量的物質會在這個圓盤中穩定的旋轉。
為什么呢？
這個過程有一個物理量必須守恒：角動量，它可以告訴我們整個系統（氣體、塵埃、恒星）本質上是如何旋轉的。這就意味著整個圓盤中的所有物質都需要大致沿著相同的方向（順時針或逆時針）運行。隨著時間的推移，圓盤達到穩定的大小和厚度，然后小的引力不穩定性開始將在圓盤中創造出行星。

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