一、重力的主導作用
1. 重力的本質與特性
- 重力是宇宙中一種基本的作用力，根據牛頓的萬有重力定律，任何兩個有質素的物體之間都存在著相互吸引的力，其大小與兩個物體的質素乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。在星球的形成和演化過程中，重力起著根本性的作用。
- 重力是一種長程力，它可以在非常遠的距離上發揮作用。對於一個正在形成的星球來說，它由大量的物質（如氣體、塵埃等）組成，這些物質之間的重力會使它們相互靠近。而且，重力的方向總是指向物體的質心，這一特性使得物質在重力的作用下有向中心聚集的趨勢。
2. 重力對星球形狀的塑造
- 當星球最初由一團彌散的物質開始聚集時，各個方向的物質在重力的牽引下向中心靠攏。在這個過程中，如果某個區域的物質分布不均勻，重力就會促使物質從物質較多的地方向物質較少的地方流動，以達到一種相對平衡的狀態。
- 對於一個足夠大質素的星球，重力會不斷地調整星球內部物質的分布，使其盡可能地接近一種對稱的形狀。而圓形（或者更準確地說是球體）是一種在三維空間中具有高度對稱性的幾何形狀。在重力的長期作用下，星球上的高山會被「壓平」，低谷會被填滿，因為把物質堆積得過高或者形成尖銳的棱角需要消耗更多的能量，而在重力的作用下，物質會趨向於向能量更低的狀態轉變，也就是形成球體。
二、物質的流體靜力學平衡
1. 流體靜力學平衡原理
- 在星球內部，物質處於一種流體靜力學平衡的狀態。這意味著星球內部的壓力和重力相互平衡。以地球為例，地球內部有高溫高壓的物質，主要由鐵、鎳等金屬和巖石物質組成。這些物質在重力的作用下被壓縮，同時產生向外的壓力。
- 對於一個球形的星球，在流體靜力學平衡下，星球內部每一點所受到的壓力和重力的合力為零。如果星球是方形或者其他不規則形狀，那麽在星球的角、棱等部位，物質所受到的壓力和重力的平衡關系就會被打破。例如，在一個方形星球的角上，物質所受到的重力會使物質向中心流動，而壓力的分布也會不均勻，這就會促使物質重新分布，直到形成球形來達到平衡。
2. 不同物質狀態下的平衡
- 無論是氣態星球（如木星）還是固態星球（如地球），都遵循流體靜力學平衡的原理。在氣態星球中，氣體分子在重力和內部壓力的作用下不斷運動，它們會趨向於形成一種均勻分布的狀態，而球形是滿足這種均勻分布的理想形狀。
- 對於固態星球，雖然表面看起來是固體，但在星球形成和演化的漫長過程中，內部的巖石和金屬物質在高溫高壓下也具有一定的可塑性。例如，地球的地幔層是半固態的，地核是液態的，在重力和內部壓力的作用下，這些物質也會調整自己的形狀，以達到流體靜力學平衡，從而使地球整體趨近於球形。
三、星球的形成過程與圓形形狀的必然聯系
1. 星雲假說下的星球形成
- 根據星雲假說，星球是由星際雲（星雲）在自身重力作用下塌縮形成的。最初，星雲是一片巨大的、彌散的氣體和塵埃雲，密度非常低。當這片星雲受到某種擾動（如附近超新星爆發產生的沖擊波）時，就會開始在重力的作用下收縮。
- 在收縮過程中，星雲會逐漸形成一個旋轉的盤狀結構，稱為原行星盤。這個盤狀結構的中心部份會形成恒星，而盤的周圍物質會聚集形成行星等天體。在這個過程中，由於物質的旋轉和重力的作用，物質會不斷地向中心聚集並且趨於均勻分布，這種均勻分布的結果就是形成圓形或近似圓形的星球。
2. 吸積過程中的形狀演變
- 在星球形成的吸積過程中，小顆粒物質相互碰撞並結合在一起，逐漸形成更大的天體。隨著吸積過程的進行，天體的質素不斷增加，重力也越來越強。在這個過程中，不規則形狀的天體由於重力的不均勻性會發生變形。
- 例如，一個最初是不規則塊狀的天體，在吸積更多物質的過程中，其突出的部份會因為受到更強的重力而被拉向中心或者其他物質較少的區域，經過長時間的吸積和物質重新分布，這個天體最終會趨近於圓形。
四、星球自轉對形狀的微調
1. 自轉產生的離心力
- 星球的自轉會產生離心力，這種離心力會對星球的形狀產生影響。對於一個自轉的星球，離心力在星球的赤道處最大，向兩極逐漸減小。離心力的方向是垂直於星球自轉軸向外的。
- 以地球為例，由於地球的自轉，在赤道處的物質會受到離心力的作用而有向外「甩」的趨勢。這種離心力會使地球的赤道略微隆起，而兩極略微扁平，所以地球實際上是一個兩極稍扁、赤道略鼓的扁球體。
2. 自轉速度與形狀的關系
- 星球的自轉速度越快，離心力對其形狀的影響就越大。例如，木星是太陽系中自轉速度最快的行星，它的赤道隆起就更加明顯。木星的自轉周期約為9小時50分，由於這種快速自轉，木星的赤道直徑比兩極直徑大約9000千米。
- 對於自轉速度較慢的星球，離心力對形狀的影響相對較小，星球更接近理想的球體。例如，水星的自轉速度非常慢，它的形狀就更接近一個完美的球體。
五、對科學研究和宇宙探索的意義
1. 理解星球的物理性質
- 星球的圓形形狀是研究其內部結構和物理性質的重要線索。透過對星球形狀的精確測量，科學家可以推斷星球內部物質的分布情況。例如，如果一個星球的形狀偏離球形較大，這可能意味著星球內部存在特殊的物質分布或者強大的內部活動。
- 對於氣態星球，其形狀的微小變化可以反映出內部氣體的流動、壓力和溫度分布等情況。科學家可以利用這些資訊來建立星球的物理模型，更好地理解星球的形成、演化和內部動力學。
2. 宇宙探索中的導航與軌域計算
- 在宇宙探索中，星球的圓形形狀對航天器的導航和軌域計算具有重要意義。當航天器接近一個星球時，假設星球是圓形可以簡化軌域計算。例如，在計算火星探測車的軌域時，將火星視為球體可以更方便地確定探測器的軌域參數，如近火點、遠火點等。
- 同時，對星球形狀的精確了解可以提高航天器著陸的精度。如果知道星球並非完美的圓形，而是存在一定的地形起伏或者形狀偏差，就可以在著陸程式中進行相應的調整，以確保航天器安全、準確地著陸。
星球之所以是圓的而不是方的，是多種物理因素共同作用的結果。重力、物質的流體靜力學平衡、星球的形成過程以及自轉等因素相互交織，使得圓形成為星球在宇宙中的普遍形狀。這種形狀不僅反映了星球內部的物理狀態，也對我們的科學研究和宇宙探索有著深遠的意義。
