태양계를 볼 때 우리는 작은 먼지 알갱이부터 거대한 행성과 태양에 이르기까지 모든 크기의 물체를 봅니다. 이러한 물체의 공통된 특징은 큰 물체는 (다소) 둥글고 작은 물체는 모양이 불규칙하다는 것입니다. 하지만 왜?
큰 물체가 둥근 이유에 대한 답은 중력의 영향으로 귀결됩니다. 물체의 중력은 항상 질량 중심을 향합니다. 물체가 클수록 질량이 커지고 중력이 더 커집니다.
고체 물체의 경우 이 힘은 물체 자체의 힘에 반대합니다. 예를 들어, 지구의 중력으로 인해 아래로 향하는 힘이 당신을 지구 중심으로 끌어당기지 않습니다. 이것은 땅이 당신을 위로 밀어 올리기 때문입니다. 너무 큰 힘이 당신이 땅을 뚫고 지나갈 수 없도록 합니다.
그러나 지구의 힘에는 한계가 있습니다. 에베레스트 산과 같은 거대한 산이 행성의 판들이 서로 충돌하면서 점점 더 커지는 것을 상상해 보십시오. 에베레스트가 점점 높아짐에 따라 그녀의 체중은 그녀가 처지기 시작할 정도로 증가합니다. 추가 무게는 산을 지구의 맨틀 속으로 밀어 넣어 높이를 제한합니다.
지구가 완전히 바다로 구성되어 있다면 에베레스트는 지구 중심으로 가라앉을 것입니다(통과하는 모든 물을 밀어냄). 물이 극도로 풍부한 지역은 지구의 중력의 영향으로 아래로 가라앉을 것입니다. 물이 극도로 부족한 지역은 다른 곳에서 짜낸 물로 채워져 상상의 지구 바다를 완벽하게 구형으로 만듭니다.
그러나 문제는 중력이 실제로 놀라울 정도로 약하다는 것입니다. 물체는 물체를 구성하는 재료의 강도를 극복할 수 있을 만큼 충분히 강한 중력을 발휘할 수 있기 전에 매우 커야 합니다. 따라서 작은 고체 물체(지름이 미터 또는 킬로미터)는 구형을 얻기에는 중력 인력이 너무 약합니다.
물체가 중력이 이길 만큼 충분히 커지면 물체를 구성하는 재료의 힘을 이겨내고 물체의 모든 재료를 구형으로 끌어당기는 경향이 있습니다. 물체의 너무 높은 부분은 아래로 당겨져 아래에 있는 재료를 밀어내고 너무 낮은 부분은 밀어낼 수 없게 됩니다.
구형이 되면 물체가 "정역학적 평형" 상태에 있다고 말합니다. 그러나 유체정역학적 평형을 달성하려면 물체가 얼마나 강력해야 합니까? 그것은 그것이 무엇으로 만들어 졌는지에 달려 있습니다. 액체 물로만 구성된 물체는 실제로 힘이 없기 때문에 이 작업에 쉽게 대처할 수 있습니다. 물 분자는 쉽게 움직입니다.
한편, 순철로 만들어진 물체는 중력이 철의 내부력을 이기기 위해서는 훨씬 더 무거워야 할 것입니다. 태양계에서 얼음 물체가 구형이 되는 데 필요한 임계값 직경은 최소 400km이며 주로 더 강한 물질로 구성된 물체의 경우 이 임계값이 훨씬 더 큽니다. 토성의 위성 Mimas는 구형이고 지름이 396km입니다. 현재 이러한 기준을 충족할 수 있는 것은 우리에게 알려진 가장 작은 물체입니다.
그러나 모든 물체가 공간에서 회전하거나 움직이는 경향이 있음을 기억하면 모든 것이 더 복잡해집니다. 물체가 회전하는 경우 적도 위치(두 극 사이의 중간 지점)는 극 근처 위치보다 약간 더 적은 중력을 받습니다.
결과적으로 정수학적 평형에서 예상되는 완전한 구형 모양은 "편평한 회전 타원체"로 알려진 것으로 이동합니다. 특히 극보다 적도에서 물체가 더 넓을 때 이것은 우리 지구에 해당됩니다. 물체가 공간에서 더 빨리 회전할수록 이 효과는 더 극적입니다. 물보다 밀도가 낮은 토성은 24시간 120분마다 자전합니다(지구의 느린 500시간 주기에 비해). 결과적으로 지구보다 훨씬 덜 구형입니다. 토성의 적도 지름은 108km가 조금 넘고 극지름은 600km가 조금 넘습니다. 이것은 거의 12km의 차이입니다!
일부 스타는 훨씬 더 극단적입니다. 밝은 별 Altair는 그러한 기이한 것 중 하나입니다. 약 9시간마다 한 번씩 회전합니다. 너무 빨라서 적도 지름이 극 사이 거리보다 25% 더 큽니다!
간단히 말해서, 큰 천체가 구형(또는 거의 구형)인 이유는 중력이 물체를 구성하는 물질의 강도를 극복할 수 있을 만큼 충분히 거대하기 때문입니다.
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