Warum ist die Sonne fast perfekt kugelförmig?

Relativ neue Messungen zeigen, dass die Sonne fast das rundeste Objekt ist, das jemals gemessen wurde. Auf die Größe eines Wasserballs skaliert, wäre es so rund, dass der Unterschied zwischen dem breitesten und dem schmalsten Durchmesser viel geringer wäre als die Breite eines menschlichen Haares.

Ich schätze, dass das obige Ergebnis nur eine Messung ist, und ich habe nach einer Bestätigung des Ergebnisses gesucht. Wikipedia erkennt jedoch seine Gültigkeit an:

Durch dieses Maß ist die Sonne eine nahezu perfekte Kugel mit einer Abflachung, die auf etwa 9 Millionstel geschätzt wird, was bedeutet, dass sich ihr Poldurchmesser nur um 10 Kilometer von ihrem Äquatorialdurchmesser unterscheidet.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Zwei Fragen zu diesem Thema:

  • Zumindest für mich ist es ein völlig kontraintuitives Ergebnis. Kann jemand erklären, aus welchen Gründen diese Symmetrie entstanden ist? Ist es eine Kombination aus einer langsamen Rotationsrate in Kombination mit einem stark isotropen zentralen Gravitationsfeld? Ich dachte, es würde eine äquatoriale Ausbuchtung geben, obwohl die Rotationsgeschwindigkeit langsam ist.

  • Bedeutet dieses Ergebnis für nur einen, soweit ich weiß, gewöhnlichen Stern, dass asymmetrische Sternkollaps viel weniger wahrscheinlich sind als zuvor angenommen? Zugegeben, es ist nur ein Stern unter unzähligen Milliarden, aber andererseits kann es, da es sich um eine zufällige Stichprobe handelt, durchaus auf viele weitere ähnliche "extrem" (wenn ich dieses Wort verwenden darf) kugelförmige Objekte hinweisen.

Das war so eine Überraschung für mich, ich dachte, du musst einen Fehler gemacht haben! Aber nein, Ihre Zahlen sehen aus. Danke, dass du mich aufgeklärt hast.
@TonyK gerne geschehen, der Link oben im Beitrag gibt weitere Details und Rob gibt die Antwort. Ich hätte eine Wette verloren, wenn mich jemand gefragt hätte: "Was ist das Rundste im Sonnensystem?" Danke und Grüße
Dieses Bild hat die seltsamste optische Täuschung. Es scheint, als würde der äußere gasförmige Teil einschrumpfen.
Danke für die Fragen und Anmerkungen. Ich widerspreche nur als Anwalt des Teufels, dass die Sonne eine „Zufallsprobe“ ist. Es könnte nur etwas in seiner Symmetrie geben, das dem Leben auf einem seiner Planeten und damit der Anwesenheit von uns, die ihn beobachten, ein kleines bisschen förderlicher ist.
@DaG Hier passiert nichts Zufälliges. Die Abflachung hängt mit der Rotationsgeschwindigkeit zusammen. Man könnte argumentieren, dass Sterne mit einer Reihe von Drehimpulsen geboren werden, aber wenn sonnenähnliche Sterne älter werden, drehen sie sich mit einer Geschwindigkeit nach unten, die von ihrer Rotationsgeschwindigkeit abhängt, was bedeutet, dass sie in einer einzigartigen Beziehung zwischen Rotation und Alter konvergieren. Daher erwartet man, dass die meisten Einzelsterne in einem ähnlichen Alter wie die Sonne eine ähnliche Abflachung aufweisen.
Du meinst abgesehen von all diesen hervorstehenden Teilen?
@EmilioPisanty Ich weiß, ich weiß, es gibt andere Bilder einer völlig kreisförmigen, langweiligen, teigig aussehenden Sonne, die durch Wolken gesehen wird, aber erlauben Sie mir einen kleinen dramatischen Spielraum :)
In Frage kommender Artikel: The Precise Solar Shape and Its Variability, JR Kuhn, R. Bush, M. Emilio und IF Scholl, Science 337 No. 6102, 1638 (2012) .
To me at least, it is a completely counter-intuitive result.Ich entschuldige mich im Voraus für meine scheinbar ganz andere Intuition. Aber für mich sehe ich nichts Widersinniges daran, dass die Sonne sehr, sehr rund ist. So wie ein Wassertropfen im freien Raum sehr sehr rund wäre. Diese Frage sagt nicht, warum dies seltsam und kontraintuitiv ist. Wie kommt es, dass dies anscheinend so eine Überraschung ist?
@Steeven keine Notwendigkeit, sich zu entschuldigen, ich dachte, es würde eine äquatoriale Ausbuchtung geben, obwohl die Rotationsrate langsam ist. Mit anderen Worten, ich hätte zuerst mehr recherchieren sollen :) Grüße
Ah ich sehe! Gute Frage dann :-) Sie sollten diese Tatsache jedoch der Frage hinzufügen, um den Grund für die Überraschung zu erklären

Antworten (3)

Die Symmetrie der Sonne hat sehr wenig mit irgendeiner Symmetrie ihrer Entstehung zu tun.

Die Sonne hatte viel Zeit, um ein Gleichgewicht zwischen ihrer Eigengravitation und ihrem inneren Druckgradienten zu erreichen. Jede Abweichung von der Symmetrie würde einen Druckunterschied in Regionen mit ähnlichem Radius, aber unterschiedlichen Polar- oder Azimutwinkeln implizieren. Der resultierende Druckgradient würde Flüssigkeitsströme auslösen, die die Asymmetrie aufheben würden.

Mögliche Quellen der Asymmetrie in Sternen könnten eine schnelle Rotation oder das Vorhandensein eines binären Begleiters sein, die beide die Symmetrie des effektiven Gravitationspotentials brechen, selbst wenn der Stern kugelsymmetrisch wäre. Die Sonne hat beides nicht (die Zentrifugalbeschleunigung am Äquator beträgt nur etwa 20 Millionstel der Oberflächengravitation, und Jupiter ist zu klein und weit entfernt, um eine Wirkung zu haben) und entspannt sich einfach zu einer fast kugelsymmetrischen Konfiguration.

Die Beziehung zwischen Abgeflachtheit/Elliptizität und Rotationsgeschwindigkeit wird hier ausführlich für einen selbstgravitativen Sphäroid mit gleichmäßiger Dichte behandelt , und die folgende analytische Annäherung wird für das Verhältnis von Äquatorialradius zu Polarradius erhalten

r e r p = 1 + ϵ / 3 1 2 ϵ / 3 ,
wo ϵ , die Elliptizität hängt mit Rotation und Masse zusammen
ϵ = 5 4 Ω 2 a 3 G M
und a ist der mittlere Radius, Ω die Winkelgeschwindigkeit.

Wenn ich Zahlen für die Sonne einsetze (unter Verwendung der äquatorialen Rotationsperiode), bekomme ich ϵ = 2.8 × 10 5 und daher r e / r p = 1.000028 oder r e r p = ϵ a = 19.5 km. Somit gibt diese einfache Berechnung den beobachteten Wert einem kleinen Faktor an, ist aber offensichtlich nur eine Annäherung, weil (a) die Sonne keine einheitliche Dichte hat und (b) sich in ihrer äußeren Hülle unterschiedlich mit dem Breitengrad dreht.

Ein letzter Gedanke. Die Abflachung eines einzelnen Sterns wie der Sonne hängt von seiner Rotation ab. Sie fragen sich vielleicht, wie typisch ist die (kleine) Rotationsrate der Sonne, die zu einer sehr kleinen Abflachung führt? Es gibt schneller rotierende sonnenähnliche (und insbesondere massereichere) Sterne ; Sehr junge Sterne können bis zu 100-mal schneller rotieren als die Sonne, was zu einer erheblichen Abflachung führt. Sonnenähnliche Sterne drehen sich jedoch mit zunehmendem Alter durch einen magnetisierten Wind nach unten. Die Spin-Down-Rate hängt von der Rotationsrate ab und das bedeutet, dass Single(oder zumindest Sterne, die sich nicht in engen, gezeitengebundenen Binärsystemen befinden) konvergieren Sterne in einem Alter von über einer Milliarde Jahren zu einer nahezu einzigartigen Rotationsaltersbeziehung. Daher erwarten wir (das muss noch bewiesen werden, da das Alter der Sterne schwer abzuschätzen ist), dass alle sonnenähnlichen Sterne mit einem ähnlichen Alter wie die Sonne ähnliche Rotationsraten und eine ähnlich geringe Abplattung aufweisen sollten.

Danke dafür, ich habe nur nicht bemerkt, bevor ich einen Artikel gelesen habe, wie wirklich kugelförmig es ist.
@count_to_10 Ich auch nicht, aber ich denke, 2 km / s am Äquator sind eine Beschleunigung, die nur 20 Millionstel der Erdanziehungskraft beträgt.
Ein weiterer Punkt. Die Sonne ist wirklich heiß. Das bedeutet, dass sich das meiste wie eine Flüssigkeit verhält, was bedeutet, dass es nicht lange dauert, bis Kräfte es verformen.
Etwas tangential, aber interessant; Bedeutet diese Antwort, dass die Asymmetrie anderer kugelförmiger Körper, zB der Erde, durch ihre Rotationsgeschwindigkeit und die Anwesenheit des Mondes verursacht wird? Sinnvoll denke ich...
@mike-source Es geht im Grunde um das Verhältnis zwischen der Gravitationskraft und der Zentrifugalkraft. Die Sonne dreht sich schnell, aber nicht schnell genug, um ihre massive Schwerkraft auszugleichen. Die Erde ist viel weniger massiv und daher ist die Rotationsverzerrung viel ausgeprägter. Außerdem hat die Erde Feststoffe - das ist viel weniger wichtig als die Rotation im Durchschnitt, aber es gibt einige interessante lokale Maxima und Minima. Die Schwerkraft des Mondes ist viel zu gering, um eine Rolle zu spielen – die Beschleunigung ist winzig; Möglicherweise wurden Sie von der üblichen (und falschen) Erklärung der Funktionsweise von Gezeiten in die Irre geführt.
@yo' Einige Zeitskalen - die thermische Zeitskala der Sonne 10 7 Jahre; die thermische Zeitskala der konvektiven Hülle der Sonne 10 5 Jahre; thermische Zeitskala von Konvektionszellen in der Nähe der Photosphäre 1 Tag; Diffusionszeitskala in der Hülle 1 Jahr. Ich würde erwarten, dass die Nicht-Sphärizität auf einer Mischung dieser Zeitskalen eliminiert wird, die alle viel kleiner sind als ihr Alter.
@RobJeffries Ah, tut mir leid, ich habe die Dinge in meinem Kopf durcheinander gebracht. Ich werde meine unsinnige Frage in Kürze löschen.
@RobJeffries Nochmals vielen Dank für die Antwort Rob, ich verstehe jetzt mehr denn je, falsche Annahmen zu treffen.
Angesichts der Tatsache, dass fast jede andere Eigenschaft der Sonne von der Plasmaphysik bestimmt wird, wird ihre Form am stärksten durch ein Gleichgewicht der Plasmaphysik definiert.
Es ist erwähnenswert, dass die Oberflächengravitation der Sonne 28 g und eine Rotationsperiode von etwa 25 Tagen beträgt. Also ja, man würde erwarten, dass es viel näher an der Kugel liegt als die Erde oder der Jupiter.
@Luaan "Möglicherweise wurden Sie von der üblichen (und falschen) Erklärung, wie Gezeiten funktionieren, in die Irre geführt." Würden Sie näher darauf eingehen? Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich weiß, wie Gezeiten funktionieren , aber Sie lassen mich im Zweifel.

I) In dieser Antwort werden wir nur die Gleichgewichtsform diskutieren. Denken Sie daran, dass bei der Diskussion der Form der Erde in diesem Phys.SE-Beitrag das Gravitations-Quadrupol-Moment wichtig war. Anders als bei der Erde ist es aus Oberflächensicht eine sehr gute Näherung anzunehmen, dass die gesamte Masse der Sonne im Zentrum sitzt, vgl. unten Grafik.

Außerdem hilft hier das Newtonsche Schalentheorem . Wir schließen daraus, dass es ausreicht, das Gravitationsmonopolfeld zu betrachten

(1) g ( r )   =   G M r 2

von der Sonne. Von Wikipedia bekommen wir das

(2) G   =   6.674 10 11 N m 2 / k g 2 und M   =   ( 1,98855 ± 0,00025 ) 10 30 k g .
Der äquatoriale Radius und die Periode sind
(3) r e   =   ( 696342 ± 65 )   k m und T e   =   25.05   d a j s ,

beziehungsweise. Die Äquatorgeschwindigkeit ist

(4) v e   =   ω e r e   =   2 π r e T e     2.02   k m / s .

Die äquatoriale Oberflächengravitation ist dann

(5) g e   =   G M r e 2     274   m / s 2 .

Wiederholt man das Monopol-Argument von Mark Eichenlaub für die Sonne, so wird der Höhenunterschied zwischen dem äquatorialen und dem polaren Radius

(6) h   :=   r e r p   =   v e 2 2 g e     7.5   k m ,

führt zu einer Abflachung

(7) f   =   h r e     11 10 6 .

Diese Schätzung geht um 20 % über die tatsächlich beobachtete Abflachung hinaus, was nur der Fall ist 9 10 6 .

II) Im Rest dieser Antwort möchten wir argumentieren, dass die 20 % Differenz in Gl. (7) ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass die Sonne nicht als starrer Körper rotiert, was wir implizit in Abschnitt I. Die Polarperiode angenommen haben

(8) T p   =   34.4   d a j s

ist langsamer als die Äquatorperiode (3). Um fortzufahren, nehmen wir der Einfachheit halber an, dass das Quadrat T 2 der Periode T hängt vom Polarwinkel ab θ auf die folgende Weise 1

(9) T 2   =   T p 2 + s ( T e 2 T p 2 ) , s     Sünde 2 θ , ω     2 π T .

Definieren Sie analog zur späteren Bequemlichkeit die Menge

(10) EIN   :=   G M ω 2   =   EIN p + s EIN ' , EIN '   :=   EIN e EIN p   <   0 ,

was proportional ist T 2 . Die Zentrifugalbeschleunigung ist

(11) a c f   =   ω 2 r Sünde θ .

Mit Argumenten ähnlich meiner Phys.SE-Antwort hier sollte die Gesamtkraft senkrecht zur Oberfläche sein

(12) ( g a c f Sünde θ ) d r a c f cos θ   r d θ   =   0.

Das Differential (12) ist ungenau . Nach Multiplikation mit einem Integrationsfaktor haben wir

(13) d U   =   λ ( u ) [ ( EIN r 2 s r ) d r r 2 2 d s ] ,

wo

(14) λ ( u )   :=   exp ( 2 3 EIN ' u 3 ) , u     1 r .

Das Potenzial wird

(fünfzehn) U   =   EIN p 0 u d u '   λ ( u ' ) s λ ( u ) 2 u 2 .

Die Differenz zwischen äquatorialem und polarem Potential sollte Null sein:

(16) 0   =   U e U p   =   EIN p u e u p d u   λ ( u ) λ ( u e ) 2 u e 2 ,

oder gleichwertig,

1 2 EIN p u e 2   = ( 16 )   u e u p d u   exp ( 2 3 EIN ' ( u 3 u e 3 ) )  
(17)   u e u p d u   e 2 EIN ' ( u u e ) u e 2   =   e 2 EIN ' ( u p u e ) u e 2 1 2 EIN ' u e 2 .

Der Höhenunterschied wird

(18) h   :=   r e r p     u p u e u e 2   ( 17 )   r e 4 2 EIN ' ln ( 1 + EIN ' EIN p )     5.3   k m ,

führt zu einer Abflachung

(19) f   =   h r e     8 10 6 ,

was 10 % unter der beobachteten Abflachung liegt. Wie auch immer, das obige einfache Modell zeigt, dass es wichtig ist, die nicht starre differentielle Rotation der Sonne zu berücksichtigen.

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1 Neben der Erfüllung der richtigen Randbedingungen ist der Ansatz (9) zugegebenermaßen gewählt, um den Integrationsfaktor (14) einfach zu machen (und nicht auf Beobachtungen oder astrophysikalischen Modellen zu beruhen).

Ich denke, dass die Entfernung ein falsches Bild verleiht, um als Kugel zu erscheinen ... Bei genauerem Hinsehen würde man tatsächlich die Höhen und Tiefen sehen, das zerklüftete Äußere ... Vielleicht dreht sich die äußere gasförmige Hülle, die leicht ist, sogar auf dem gesamte Oberfläche der Sonne aufgrund der starken Schwerkraft, die ihr die runde Form verleiht ...