¿Por qué son tan comunes las formas esféricas en el universo?

Question

Tengo una pregunta simple. ¿Por qué la mayoría de los objetos en el universo observable son esféricos? ¿Por qué no cónicos, cúbicos, cuboidales, por ejemplo? Estoy proporcionando algunos puntos para justificar esta afirmación:

1. La mayoría de los planetas en el universo son esferoides.

2. Otros cuerpos celestes (por ejemplo: estrellas y lunas) también son esféricos.

3. Incluso partículas elementales como los átomos se describen mejor como esferas (admito que no tienen límites bien definidos, pero aún así usamos términos como radio atómico al describir los átomos.)

Entonces, mi pregunta principal se reduce a esta única línea:

¿Por qué la forma esférica es tan ubicua en el universo observable (tanto en el mundo microscópico como en el macroscópico)?

Answer 1

Las formas esféricas en el universo son comunes porque las fuerzas dominantes de largo alcance, como la gravedad y el electromagnetismo, son centrales (en el sentido de que solo dependen de la distancia entre los objetos).

Nuestro planeta, la luna y el sol son todos esféricos por esta razón, la gravedad atrae a cada objeto hacia el centro por igual.

Answer 2

En una escala astronómica, la forma esférica se debe a la gravedad y cuanto más masivo sea el cuerpo, mayor será la gravedad. Comencemos con las estrellas:

Las estrellas se forman colapsando una nube de gas en lo que se conoce como "fase pre-secuencia principal", cada partícula o átomo es atraído hacia el centro de masa. La materia en dicho gas no está estacionaria, los átomos pueden moverse en cualquier dirección, pero en promedio se mueven hacia el centro. Podríamos considerar que la estrella en pre-secuencia principal es completamente convectiva, la convección significa el intercambio de materia entre las capas más profundas de la estrella y las capas exteriores (la materia desde el interior va hacia el exterior y la materia desde el exterior va hacia el interior).

Fuente: Dina Prialnik, Una introducción a la teoría de la Estructura y Evolución estelar

¿Qué tiene que ver todo esto con la pregunta? Bueno, el movimiento del gas ayuda a crear la forma esférica de la estrella. Vamos a suponer que empezamos con un disco de gas, si algunos átomos se mueven por encima del plano del disco, serán atraídos hacia el centro de gravedad en lugar de su posición original, creando al mismo tiempo un espacio vacío en su posición original para que otros átomos se acerquen.

Y estos movimientos de todos los átomos y la atracción radial hacia el centro de masa hace que las estrellas sean esféricas, en la imagen anterior solo una pequeña parte del disco se movió, sin embargo, en un ejemplo más realista, cada parte del disco se movería en alguna dirección.

Los planetas son similares, el polvo alrededor de las estrellas se agrupa y se expande lentamente. Ese material suelto intenta encontrar el punto local más bajo de energía potencial.

Hay muchos otros mecanismos en juego que pueden intentar contrarrestar la "mantención de la forma esférica", pero para las estrellas o los planetas, la gravedad es el factor dominante.

Por supuesto, no todo es esférico, como algunos de los asteroides.

Answer 3

Un cuerpo planetario siempre querría lograr el equilibrio hidrostático:

En mecánica de fluidos, el equilibrio hidrostático (balance hidrostático, hidroestasis) es la condición de un fluido o un sólido plástico en reposo, que ocurre cuando las fuerzas externas, como la gravedad, están equilibradas por una fuerza de gradiente de presión. En la física planetaria de la Tierra, la fuerza de gradiente de presión evita que la gravedad colapse la atmósfera planetaria en una capa delgada y densa, mientras que la gravedad evita que la fuerza de gradiente de presión difunda la atmósfera al espacio exterior. En general, es lo que hace que los objetos en el espacio sean esféricos.

Más información aquí: ¿Por qué las estrellas, planetas y lunas más grandes son (aproximadamente) esféricos en forma (como el Sol, la Luna, la Tierra y otros planetas)?

Answer 4

Un filósofo clásico como Aristóteles diría que esto se debe a que "la esfera es un sólido perfecto y los cielos son una región de perfección". Una versión más moderna de la misma respuesta esencial sería que la esfericidad de los objetos celestes refleja la isotropía del espacio.

Por el contrario, cuando se rompe la isotropía (por ejemplo, por la presencia de un objeto cercano que atrae / repele o por el cuerpo en sí mismo, como es el caso de la rotación), la forma del cuerpo ya no es una esfera.

Answer 5

Los estados de equilibrio en procesos en constante cambio son mínimos locales de exergía que preservan cantidades conservadas.

Aquellas cosas que son (o se pueden predecir de manera confiable que son) aproximadamente esféricas son aquellas para las cuales las formas esféricas minimizan localmente la exergía. Aquellas cosas que no son aproximadamente esféricas (o se puede predecir de manera confiable que no lo son) son aquellas para las cuales formas no esféricas minimizan localmente la exergía, por ejemplo, la mayoría de las moléculas, cristales, galaxias, nubes de electrones del hidrógeno en estado excitado y contribuyentes de stack exchange.

Además de ese hecho general, las razones por las cuales una cosa aproximadamente esférica y otra cosa aproximadamente esférica son aproximadamente esféricas pueden ser completamente diferentes. Por ejemplo, la razón por la cual una molécula esférica de C60 es esférica es bastante similar a la razón por la cual una molécula de CO2 en forma de varilla es en forma de varilla. Aparte del párrafo anterior, la razón por la cual una molécula esférica de C60 es esférica es casi completamente independiente de la razón por la cual una estrella es esférica.

Si te gustaría saber sobre una categoría más específica de cosas (es decir, cuerpos astronómicos densos gravitacionalmente unidos, ciertas disposiciones moleculares de Carbono o átomos aislados), te sugeriría una o más preguntas de seguimiento.