[拼音]：tianti de xingzhuang he zizhuan lilun

[外文]：theory of the figure and rotation of celestial body

天体力学的一个分支，主要研究各种类型的天体在内外引力作用下自转时的平衡形状，以及自转轴在空间和天体内部的变化规律。内部辐射较强或电磁作用较大的天体，其形状和自转问题则在天体物理学中进行研究。在天体的形状理论中，主要的模型是转动着的流体。其中流体分为可压缩的和不可压缩的以及均匀的和不均匀的；转动分为整体均匀转动和带状转动等。在天体的自转理论中，主要的模型是刚体，有时也采用刚体和流体或刚体和弹性体的混合模型。

主要研究天体在内部引力和自转离心力作用下的形状（包括内部结构）问题。这方面的研究工作是分别按各种物态模型进行的，主要的研究课题有：

（1）均匀自转的平衡形状问题：主要研究天体在均匀自转（即自转角速度不变，而且整个天体每个质点的自转角速度都相同）时，可能的平衡形状以及相应的稳定性问题。其中又分别研究各种物态模型，如密度均匀的流体、密度不均匀的流体、带有固体核心的流体、带有浮动固体的流体、带有固体壳的流体、可塑体和弹性体等。

（2）带状自转（一名较差自转）的形状问题：主要研究带状自转天体的平衡（或相对平衡）形状和相应的层次结构。如果天体中各质点的自转角速度不一样而是质点到自转轴的距离和纬度的函数，则这样的自转称为带状自转，例如太阳、木星、土星以及其他恒星的自转等。

（3）形状的变化问题：主要研究天体形状在天体内部各种力出现不平衡时，产生周期性的或其他规律性变化的情况。

研究一个或多个天体系统在外力作用下的形状问题，主要的研究课题有：

（1）受中心体引力作用的流体形状问题：典型例子是土星环。

（2）地月系统的形状问题：这是关于地月系统演化的一个课题。从地月原来是一个天体的假定出发，研究分裂为两个天体的可能性以及它们的形状和自转的演化规律。

（3）双星系统的形状问题：这是关于双星演化的一个课题。

（4）复杂系统的形状问题：主要是星团、星云和星系的形状理论，这些问题主要在天体物理学中研究。

主要研究：

（1）天体自转轴在空间的运动:除地球外，还研究人造天体的自转轴的运动；

（2）天体自转轴在天体内的移动：研究得最多的是地球的极移；

（3）天体自转速率的变化：主要研究内外引力对天体自转速率的影响。

在天体的形状和自转理论的所有课题中，有几个是研究得比较深入的重要课题。

这是最简单的理论模型。它研究密度均匀的不可压缩流体在均匀自转时的平衡形状及其稳定性问题(即偏离平衡形状很小时，是否会破坏平衡)。设σ 为流体密度、ω为自转速率、G为万有引力常数，庞加莱求得产生平衡形状的必要条件为：

。

Ω=1的条件称为庞加莱极限。对于密度不均匀的流体，此条件仍然成立，只是σ 表示整个流体的平均密度。当满足此条件时，已证明存在一系列的平衡形状，如马克劳林椭球体（旋转椭球体）、雅可比椭球体（三轴不相等的椭球体）、庞加莱体（近椭球的几种闭曲面）和达尔文体（梨状体）等。这些平衡形状都是指大行星而言的，它们是椭球体或接近椭球体。有人证明，环状体也可能成为平衡形状，但不能解释土星环的运动。对土星环的实际观测表明，它不是自转着的流体，而是按开普勒椭圆运动着的小固体质点所组成的环。

庞加莱和李亚普诺夫建立了这些平衡形状的稳定性理论。当Ω值较大时（仍小于1），相应的马克劳林椭球体或雅可比椭球体都是不稳定的。按均匀流体得出的结论只有参考价值，因为这与天体实际情况相差太远。但结论本身是非常可靠的，可作为讨论更复杂情况的基础。

在天体的形状理论中，研究得最深入的对象是地球，各种物态模型，都是针对地球提出来的。由于人造地球卫星的轨道受到地球引力场的摄动，可根据人造卫星轨道要素的变化反测地球引力场展开式的系数。这些系数值反映了地球形状和内部密度分布的规律。1963年，美国根据史密森天文台的建议，拟定了“国家测地卫星”计划，并从1965年开始发射专用于观测地球的带有激光反射器的卫星。1966年，根据卫星资料建立第一个标准地球模型，称为“史密森标准地球Ⅰ”；1969年用更多的资料建立“史密森标准地球Ⅱ”。后来又用25个卫星的照相和激光观测资料以及两万多个地面重力测量资料，在1973年建立“史密森标准地球Ⅲ”。

在天体的自转理论中，也只有对地球自转的理论研究得最为深入。它包括：

（1）岁差和章动理论：主要研究地球自转轴在空间的变化规律。经典理论是用刚体模型建立起来的，所得结论至今仍在应用。同时还根据完全弹性体模型以及核心为流体、壳为固体的模型建立了一些章动理论。

（2）地极移动理论：研究地球自转轴在地球体内的运动规律。这需要用各种较复杂的模型（弹性体、可塑体、带流体核的固体、带有浮动固体块的流体等）进行研究。

（3）地球自转速率的变化：需要用更复杂的模型进行研究。

参考书目

S．Chandrasekhar， Ellipsoidal　 Figures　 of Equilibrium， Yale Univ. Press，New Haven，1968.

W.S.Jardetzky，Theories of Figures of Celestial Bo s， Interscience Publishers，New York，1958.

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