行星既要自转又要公转——我太难了！

行星的自转轴倾角示意图，小圆球指示“北”的方向。行星大小和倾角未按实际比例。（图片由作者提供）

毛主席在《七律二首·送瘟神》中的名句“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，非常生动地描述了地球的自转运动，成为天文学家最爱引用的名言之一。再往远处看，不仅地球在转动，所有的行星、卫星包括太阳自身也都在自转、公转，片刻不停，整个太阳系就像一个大转盘。为什么它们都转个不停呢？这不仅涉及到太阳系的起源，而且还令人意想不到的是，如果没有转动，就不会有多姿多彩的行星世界，更遑论智慧生命！

行星公转：同源而生，同向而行

地球和它这些转来转去的邻居们，都有一个共同点，即公转方向都相同。我们可以用右手螺旋来做个示意：把右手握成拳头，拇指沿着地球自转轴北极的方向伸直，那么手掌绕旋的方向就是地球的自转方向，为自西向东。按照右手螺旋逐一考察，人们发现太阳系行星、矮行星的绕日公转以及卫星绕行星的公转，都是自西向东的。在这背后，其实隐藏着太阳系形成的秘密。

我们的太阳系诞生自一片巨大的原始星云，它的尺度可能超过日地距离的1万甚至几万倍。组成星云的气体分子和尘埃在不停地做无规则热运动，和星云自身的引力达至平衡。星云本身也在围绕银河系的中心旋转，同时还在极其缓慢地自转（这可能由邻近天体的相互作用引起，也可能是在银河系诞生时产生）。

大约46亿-50亿年前，附近的一颗大质量恒星耗尽了燃料，以超新星爆发的方式走向死亡。爆炸带来的冲击波使得太阳星云不再稳定，开始在引力作用下向中心收缩。由于角动量守恒，星云中的物质旋转着向中心沉降，并且随着星云的收缩而转动得越来越快。这就像我们在花样滑冰运动中所见到的那样：运动员张开手臂在冰面上旋转，当她把手臂缩回贴在身上时，旋转速度就会加快。超过99%的物质都落到了中心，形成一颗自转着的恒星——太阳，还有一些气体和尘埃由于转动比较快而坍缩成了一个扁平的物质盘，形成一圈圈绕着太阳转动的环带。环带里的小颗粒因摩擦起电而聚集并逐渐增大，成长为尺度为几千米或更大一些的小团块（称为“星子”），这些团块又通过碰撞、吸附等过程，形成了大个头的行星。

上述图景在一些细节上还有争议，不过大体框架已成为学界共识。在此过程中形成的行星，自然都会以相同的方向围绕太阳公转，而且公转方向也和太阳的自转方向相同。行星的公转运动保留了原始星云的大部分角动量，仅木星的公转角动量就是太阳自转角动量的17倍。所以尽管原始星云自转极慢，但形成太阳系之后，由于尺度极大地收缩，行星的公转可并不慢。例如地球的公转速度接近30千米/秒，简直快得惊人！

行星自转：因碰撞而改变行迹

除了公转方向一致，行星的自转方向也几乎全是自西向东的。这仍然是角动量守恒定律所要求的结果。原始星云的总角动量不会被损耗、消失，只会在物质间通过引力、电磁力等相互作用而“转移”。所以形成行星的那些小团块也“分得”了一些角动量，其中一部分就体现在自转上，由它们并合而成的行星也是如此。不过，在漫长的演化历程中，星体之间的相互碰撞，几乎重塑了它们的自转形态。

在行星形成之初，太阳系中还残留着不计其数的小团块，它们不停地撞击初生的行星，轰击一直持续了将近十亿年（称为“暴轰期”）。在碰撞中，一些行星的自转轴指向、自转方向及速度发生了改变，例如地球、火星、土星、海王星都变成了倾斜着在轨道上公转（这也使它们有了四季变化）。最极端的是金星和天王星，金星在一次猛烈撞击中自转完全改向，变成了自东向西。天王星则干脆被撞成了“躺着公转”，即自转轴与公转平面的夹角只有几度了。

卫星的公转、自转也和行星如出一辙，转动方向基本都是自西向东，月球就是个很好的例子。只有海王星的卫星海卫一例外，它是太阳系里唯一一颗自东向西公转的大卫星，是被海王星的引力俘获而来。太阳系中还有上千万颗小行星，它们个头小，受碰撞的影响更大，再加上不像卫星那样有行星潮汐力的束缚，自转情况可能更加复杂。

爱因斯坦认为，宇宙中没有“绝对的静止”。转动就一个例证，它是宇宙中的普遍运动，迄今为止，人们还没有发现任何一颗零转动的星球。可以想象一下，如果原始星云完全没有自转，那么物质将沿直线落向中心，这样就不会形成行星盘，更不会有行星生成。但就像我们找不出一个绝对完美的圆一样，星云也不可能绝对静止，哪怕只是一丁点儿的初始转动，后续也将因收缩而加快，最后坍缩成盘并形成公转和自转着的行星。当然，形成行星还需要满足一些额外条件，例如星云里有足够多的重元素、恒星寿命足够长等。细想一下这个过程，还真有点儿“无极生太极”的意味呢。

（作者系北京天文馆副研究员，“大手拉小手”科普志愿者）

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