太阳为何自转如此缓慢？角动量缺失之谜

什么是角动量？

角动量是一个矢量量，用于衡量物体相对于某一点的旋转程度：\( \vec{L} = \vec{r} \times \vec{p} \)

\( \vec{L} \)：角动量，\( \vec{r} \)：位置矢量，从参考点（原点）指向运动物体，\( \vec{p} \)：物体的动量。

角动量定理

角动量守恒定律是经典力学和量子力学的基本原理。它指出，在孤立系统（无净外力矩作用）中，总角动量保持不变。

物理实例

• 一位滑冰者将双臂收拢靠近身体时，其旋转速度会加快（转动惯量\(I\)减小，因此角速度\(\omega\)增大，因为\(L = I\,\omega = \text{常数}\)）。
• 行星在靠近太阳时会加速（开普勒第二定律：角动量守恒）。
• 陀螺仪由于角动量守恒而保持其旋转轴固定。如果你试图倾斜它，它会以进动运动作为反应，这展示了在没有净外力矩作用时角动量的稳定性。
• 在无扰动的孤立原子中，电子的轨道角动量守恒。当存在相互作用（如光子发射或吸收）时，轨道角动量可能发生变化，但系统（电子+场）的总角动量仍然守恒。

太阳系角动量悖论的起源

在旋转的原太阳云坍缩的情景中，我们预期角动量会守恒。然而，模拟显示，在没有角动量传递机制的情况下，太阳的旋转速度应快得多，周期仅为数小时而非27天。

太阳系的角动量主要集中在行星上，尤其是像木星和土星这样的气态巨行星。这一事实有违直觉：太阳拥有太阳系超过99.8%的质量，却仅占其总角动量的约2%。相比之下，仅木星和土星就贡献了超过90%的角动量。

轨道角动量的物理定义

质量为 \( m \) 的物体以速度 \( v \) 沿半径为 \( r \) 的圆形轨道运动时，其轨道角动量 \( L \) 由下式给出：\( L = m \cdot r \cdot v \)

对于开普勒轨道，角动量 \( L \) 可通过中心恒星（此处为太阳）的质量 \( M \) 表示为：\( L = m \cdot \sqrt{G M r} \)，其中 \( G \) 为引力常数。

太阳系的角动量悖论是一个天体物理学谜题，涉及太阳与行星之间角动量的意外分布。

悖论的量化

• 来源：NASA行星数据表，Ward & Canup 2002

解决这一悖论的拟议解释

• 磁制动：年轻的太阳可能拥有强烈的磁场，与原始行星盘相互作用。这种耦合会将角动量从太阳转移到盘上，从而减缓其自转。
• 原始太阳风传输：太阳风与太阳新生磁场共同作用，会带走角动量。
• 行星迁移：巨行星（如木星）会向外迁移，以牺牲太阳的角动量为代价增加其轨道角动量。
• 气体盘潮汐效应：太阳与原行星盘之间的潮汐力会重新分配角动量。

悖论的主要原因：年轻太阳的磁制动

解释太阳系角动量悖论的主要原因是磁制动，这与年轻太阳的磁场与原行星盘之间的耦合有关。

• 太阳星云初始坍缩：气体云在引力作用下坍缩，形成快速旋转的原太阳（初始角动量守恒）。根据计算，太阳的旋转速度应远快于现今。
• 磁场的关键作用：年轻的太阳拥有强大的磁场，将其表面与周围的气体盘连接起来。这个磁场起到了“刹车”的作用：磁力线将角动量从太阳转移到外部盘（行星正在形成的地方）。

太阳将其大部分自转角动量转移给了盘状物质，进而传递给了行星。在遥远距离形成的行星，继承了绝大部分总角动量。

为何这种解释更受青睐？

• 对年轻恒星（如金牛座T型星）的观测表明，它们会随时间逐渐减速，这与该机制相符。
• 理论模型和数值模拟通过加入这种磁耦合，更好地再现了太阳的缓慢自转。