Как несимметричное порождает симметрию, или Почему все планеты вращаются в одной плоскости

19.04.2024 05:11    283

Ученые часто молвят, что в нескончаемо большой Вселенной может произойти все что угодно. Однако наблюдения, расчеты и симуляции показывают, что звездные системы планеты всегда вращаются вокруг звезды в одной плоскости и в одном направлении. Выясняем, почему так происходит.


©Wikipedia

В Солнечной системе царит порядок: четыре внутренних планеты, пояс астероидов и четыре газовых гиганта вращаются вокруг Солнца в одной плоскости. И даже если выйти за эти пределы, выяснится, что пояс Койпера тоже находится в этой плоскости. Учитывая, что Солнце имеет сферическую форму и в космосе появляются звезды, вокруг которых планеты вращаются в любых направлениях, факт того, что в нашей системе все выстроилось так, кажется слишком уж большим совпадением. Более того, мы наблюдали, что почти в каждой звездной системе планеты выстраиваются так же. Попробуем разобраться, с чем это связано.



На сегодняшний день ученые рассчитали орбиты планет с поразительной точностью. Они выяснили, что небесные тела вращаются вокруг Солнца в одной и той же двухмерной плоскости с разницей не более 7°.



Более того, если убрать из этого уравнения Меркурий – ближайшую к Солнцу планету, – станет заметно, насколько верно все остальное упорядочено относительно друг друга: отклонения от неизменной плоскости Солнечной системы составляют не более двух градусов.

Восемь планет Солнечной системы обращаются вокруг Солнца практически в идентичной плоскости – неизменной плоскости. Это типично для известных звездных систем / © Joseph Boyle

К тому же планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком вращается оно именно вокруг своей оси. Как вы уже могли догадаться, ось вращения Солнца также находится в пределах 7° отклонения по сравнению с орбитами всех планет в системе.

Однако сложно представить, что все сложилось так же, а не кто-то извне втиснул все тела в одну систему и заставил их двигаться в одной плоскости. Интуитивно следует признать, что орбиты должны быть ориентированы случайным образом, поскольку гравитация работает одинаково во всех трех (пространственных) измерениях. Также вероятнее предположить образование какого-нибудь роя из лоскутов вещества, чем упорядоченный набор идеальных кругов. Дело в том, что, если очень сильно удалиться от Солнца – дальше планет и астероидов, дальше кометы Галлея и подобных ей, выйти даже за пределы пояса Койпера, – именно это вы и увидите.

Последние новости:  Трубопроводная вода станет более безопасной: ученые нашли способ легко обнаруживать ее загрязнение

Итак, почему планеты оказались в одном диске? Почему все они расположены в одной плоскости, а не беспорядочно летают вокруг звезды? Чтобы понять это нужно вернуться во времена, когда Солнце только начинало формироваться из одного из молекулярных газовых облаков, из которых образуются все звезды во Вселенной.

Большое молекулярное облако, которых много в Млечном Пути и других галактиках местной группы, часто будет разрываться, сжиматься и порождать новые, массивные звезды с течением времени. Alves/M. Lombardi/CJ Лада

Когда молекулярное облако становится достаточно массивным, гравитационно связанным и достаточно холодным, чтобы сжиматься и коллапсировать под действием собственной гравитации, – вроде туманности Трубка (сверху слева), – она образует достаточно плотные области, в которых появляются новые звездные кластеры ( обозначены кругами на изображении, в правом верхнем углу).

Вы сразу же обратите внимание, что эта туманность, как и любая подобная ей, не имеет идеальной сферической формы, она скорее необычно продолговата. Гравитация не терпит несовершенств, а потому, что это инерционная сила, возрастающая вчетверо при каждом уменьшении расстояния до массивного объекта вдвое, она воспринимает даже небольшие отличия в начальной форме и значительно усиливает их в короткий срок.

В результате получается звездообразующая туманность с несимметричной формой: звезды в ней образуются в участках с высокой плотностью газа. Но если заглянуть внутрь нее и посмотреть на отдельные звезды, то мы увидим, что они являют собой практически идеальные сферы – вроде Солнца.

Однако как сама туманность стала несимметричной, так и сформировавшиеся в ней отдельные звезды образовались из надплотных несимметричных сгустков. Эти сгустки коллапсируют в одном из трех измерений, а поскольку вещество, из которого состоит мы, атомы, атомные ядра и электроны, притягивается само к себе и взаимодействует при столкновении с другим веществом, в итоге получится продолговатый диск из вещества. Да, гравитация будет притягивать большую ее часть к центру диска, в котором сформируется звезда, но вокруг нее образуется то, что ученые называют протопланетным диском. И благодаря космическому телескопу "Хаббл" нам удалось увидеть эти диски напрямую.

Последние новости:  Гигантский кусок космического мусора упал прямо на канадскую ферму

Это первая своего рода подсказка, указывающая на то, что в итоге получится что-то упорядоченное в одной плоскости. Чтобы перейти к следующему шагу, нам придется прибегнуть к симуляциям, поскольку мы еще недостаточно долго существуем и просто не успели наблюдать это явление – а ему нужно около миллиона лет – в молодой звездной системе.

После того как протопланетный диск "сплющивается" в одном измерении, он продолжит сжиматься с попаданием все большего вещества в его центр. Но, несмотря на то, что большая часть материала сосредоточится в нем, немалая часть газа и пыли выйдет на вращающиеся стабильные орбиты в этом диске.

Согласно симуляциям, асимметричные сгустки материи сначала сжимаются в одно измерение, а затем начинают вращаться. Именно в этой плоскости и формируются планеты / C. Burrows/J. Krist/K. Stabelfeldt/NASA

Почему? Существует физическая величина, которая должна сохраняться: угловой момент, повествующий нам, сколько вращается вся система – газ, пыль, звезда и все остальное. То, как угловой момент работает и как ровно он распределен между всеми частицами системы, по сути указывает, что все в диске должно двигаться, грубо говоря, в одном направлении – по часовой стрелке или против нее. Впоследствии этот диск достигнет стабильных размеров и плотности, а затем небольшие гравитационные неустойчивости станут превращать эти неустойчивости в планеты.

Конечно, есть небольшие отличия между частями диска, как и небольшие отличия в начальных условиях. Образующаяся в центре звезда это не одна точка, а скорее протяженный объект – около миллиона километров в диаметре. При сборке всех этих деталей воедино не получится идеальной плоскости, но получится что-то очень близкое к ней. По сути мы совсем недавно нашли первую планетную систему за пределами Солнечной, в которой нам удалось наблюдать процесс формирования молодых планет в одной плоскости.

Последние новости:  Ученые разгадали происхождение древнего дерева жизни
Протопланетный диск вокруг молодой звезды HL Тельца. Промежутки диска обозначают присутствие новых планет / © ALMA/ESO/NAOJ/NRAO

Молодая звезда HL Тельца, расположенная примерно в 450 световых годах от Земли, окружена протопланетным диском. Возраст самой звезды оценивается примерно в миллион лет. Очевидно, что это диск, на котором все расположено в одной плоскости, однако в нем присутствуют темные разрывы. Каждый из этих разрывов соответствует молодой планете, привлекшей все вещество в своих окрестностях. Пока неизвестно, какие из них в конце концов объединятся, какие выбросят с диска, а какие переместятся внутрь него и будут поглощены материнской звездой. Тем временем нам представилась возможность наблюдать поворотный момент в развитии молодой звездной системы. И пусть раньше учёные смогли наблюдать молодые планеты, именно этот этап исследовать не удавалось. Все этапы формирования звездной системы удивительны и соответствуют одной и той же истории.

Но почему планеты расположены в одной плоскости? Потому что они формируются из несимметричного газового облака, которое сначала коллапсирует в кратчайшем направлении, затем вещество "сплющивается" и "склеивается" с самим собой, после чего сжимается по направлению к центру. Но вместо того чтобы упасть на него, она начинает вокруг него вращаться. В результате из неоднородностей в этом молодом диске образуются планеты, которые продолжают вращаться в той же плоскости с разницей в несколько градусов.

Это один из тех случаев, когда наблюдения и симуляции, основанные на теоретических расчетах, удивительно согласуются друг с другом. Итак, где бы во Вселенной вы ни оказались, любые планеты вокруг любых звезд всегда будут вращаться в одной плоскости.


cikavosti.com