Decydują grawitacja i masa

Wśród skalistych obiektów w Układzie Słonecznym obserwujemy, że te większe, np. planety czy księżyce - są kuliste, a niewielkie: planetoidy - mają często różnorodne, nieregularne kształty. Czynnikiem, od którego w bardzo dużym stopniu zależy przyjmowanie kształtu kulistego, jest masa obiektów.

Jedna z hipotez na temat powstania Księżyca wskazuje, że uformował się on z materii, wyrzuconej po uderzeniu w Ziemię obiektu wielkości Marsa. Najnowsze symulacje komputerowe wskazują, że powstanie Księżyca mogło nastąpić bardzo szybko - w skali godzin, a nie miesięcy lub lat.

Obecnie Księżyc ma kształt w zasadzie kulisty (sferyczny). Co jest powodem, że Księżyc, Ziemia, planety, gwiazdy są kuliste? Kluczem do odpowiedzi na to pytanie jest grawitacja oraz to, z czym jest ona związana - czyli masa obiektów.

Grawitacją nazywamy zjawisko, które polega na tym, że obiekty posiadające masę przyciągają się wzajemnie. Gdy mamy skupisko materii, na skutek przyciągania grawitacyjnego dąży ona do tego, aby znaleźć się jak najbliżej centrum obiektu. Najłatwiej to osiągnąć w formie kuli. Oddziaływaniu grawitacji dążącemu do ściśnięcia wszystkiego w jak najmniejszy obszar przeciwstawiają się siły związane z budową materii (atomami i oddziaływaniami pomiędzy nimi), dlatego obiekt nie zapada się całkowicie, tylko w pewnym momencie osiąga stan równowagi.

Duże obiekty, takie jak gwiazdy i planety, generalnie są kuliste, albo bardzo bliskie takiemu kształtowi. Ta cecha jest używana jako jeden z warunków w definicji "planety w Układzie Słonecznym", ustalonej przez Międzynarodową Unię Astronomicznej. Ten fragment definicji planety brzmi: obiekt o masie wystarczającej, aby jego grawitacja przezwyciężyła siły ciała sztywnego, dzięki czemu przyjmuje kształt równowagi hydrostatycznej (prawie sferyczny).

Jeśli obiekt ma odpowiednio dużą masę, to jego grawitacja jest na tyle mocna, że może utworzyć kształt kulisty. W przypadku obiektów skalistych taka sytuacja zachodzi dla ciał o kilkuset kilometrach średnicy i większych.

Taki sferyczny kształt może zostać zaburzony przez dodatkowe oddziaływania. Na przykład jeśli obiekt obraca się dookoła swojej osi, na skutek działania siły odśrodkowej zacznie być nieco spłaszczony. Widzimy to w przypadku Ziemi, której promień w stronę biegunów różni się o około 20 km od promienia w stronę równika.

Zaburzenie kształtu może również nastąpić, gdy w pobliżu mamy inny masywny obiekt. Na przykład oddziaływanie grawitacyjne od Księżyca poruszającego się po orbicie wokół Ziemi wywołuje pływy mórz i oceanów. Inne możliwe czynniki to uderzenia meteorytów czy procesy geologiczne.

W przypadku obiektów o niewielkich rozmiarach, kształty, jakie obserwujemy, są wydłużone lub nieregularne. W ich przypadku masa obiektu, a więc wytwarzana przez nią siła grawitacji, jest wystarczająca, aby utrzymać materię jako jeden obiekt, ale zbyt mała, aby zmusić ją do przyjęcia kształtu kulistego.

Jednym z najbardziej intrygujących, jeśli chodzi o kształt, ciał niebieskich, jest 'Oumuamua, zaobserwowane w 2017 roku przez zespół z University of Hawaii. Obiekt uznawano za kometę, asteroidę, zdarzali się i tacy, którzy mówili, że to statek kosmiczny w kształcie cygara. Obiekt ten miał bardzo nietypowy, mocno wydłużony kształt, którego długość (którą oszacowano na co najmniej 400 metrów) jest około dziesięć razy większa, niż szerokość.

W 2020 roku eksperci z Yale University poinformowali, że to kosmiczna "góra lodowa", zamiast z wody - zbudowana z wodoru. To wyjaśniałoby nietypowe zachowanie i kształt obiektu. "Gdy 'Oumuamua przeleciała blisko Słońca i przyjęła jego ciepło, topiący się wodór na powierzchni szybko by zawrzał i wyparował, co poskutkowałoby zaobserwowanym przyspieszeniem. W podobny sposób powstałby wydłużony kształt 'Oumuamua - podobnie, jak dzieje się to z mydłem, które staje się coraz cieńsze po wielokrotnym użyciu pod prysznicem" - wyjaśniał wówczas prof. Gregory Laughlin, współautor pracy zaakceptowanej do publikacji przez magazyn "Astrophysical Journal Letters".

Krzysztof Czart