Возможности были почти безграничны, так почему же все выстраивается в ряд?
«Надежда - это не уверенность в том, что что-то получится хорошо, а уверенность в том, что что-то имеет смысл, независимо от того, как оно обернется». - Вацлав Гавел
На этой неделе я получил ряд отличных вопросов, так как ответы на вопрос «Спросите Итана» дали мне большой выбор вопросов на выбор. Но, основываясь на двух предыдущих сообщениях о том, почему планеты вращаются в одном направлении и почему наша Солнечная система нетипична, я выбрал отличный вопрос от Ника Хэма, который хочет знать:
Почему все планеты находятся в одной плоскости (приблизительно, конечно) при вращении?
Если подумать о невероятных возможностях, это кажется крайне маловероятным.
Сегодня мы нанесли на карту орбиты планет с невероятной точностью, и мы обнаружили, что они вращаются вокруг Солнца все в одной и той же двумерной плоскости, с точностью до точность не более 7° разницы.
На самом деле, если исключить из уравнения Меркурий, самую внутреннюю и наиболее наклоненную планету, вы обнаружите, что все остальное действительно хорошо выровнено: отклонение от неизменной плоскости Солнечной системы или средняя плоскость орбиты планет составляет всего около двух градусов.
Они также довольно близко выровнены с осью вращения Солнца: как все планеты вращаются вокруг Солнца, так и само Солнце вращается. И, как и следовало ожидать, ось, вокруг которой вращается Солнце, находится в пределах примерно 7° от орбит всех планет.
www.youtube.com/watch?v=oaBjfsoulao
И все же это не то, что вы могли себе представить, если бы что-то не заставило все эти планеты оказаться зажатыми в одном плане. Можно было бы ожидать, что орбиты будут ориентированы случайным образом, поскольку гравитация - сила, удерживающая планеты на этих устойчивых орбитах - , действует одинаково во всех трех измерениях.
Вы ожидали нечто большее, похожее на рой, чем на красивый, упорядоченный набор почти идеальных кругов. Дело в том, что если вы уйдете достаточно далеко от нашего Солнца - за планеты и астероиды, за кометы типа Галлея и даже за пояс Койпера - именно это вы найдете.
Так что же именно заставило наши планеты оказаться в одном диске? В одной плоскости, вращающейся вокруг нашего Солнца, а не роем?
Чтобы понять это, давайте отправимся назад во времени, когда наше Солнце только формировалось: из молекулярного газового облака, того самого, что порождает все новые звезды во Вселенной.
Когда молекулярное облако становится достаточно массивным, гравитационно связанным и достаточно холодным, чтобы сжиматься и коллапсировать под действием собственной гравитации, как туманность Трубка (вверху слева), оно образует достаточно плотные области где будут рождаться новые звездные скопления (кружки вверху справа).
Вы сразу заметите, что эта туманность - и любая туманность подобная ей - не является идеальной сферой, а скорее имеет неправильную, вытянутую форму. Гравитация не прощает несовершенств, и из-за того, что гравитация представляет собой ускоряющую силу, которая увеличивается в четыре раза каждый раз, когда вы вдвое сокращаете расстояние до массивного объекта, она принимает даже небольшие различия в начальной форме и чрезвычайно быстро увеличивает их.
В результате вы получаете звездообразующую туманность невероятно асимметричной формы, где звезды формируются в областях, где газ становится наиболее плотным. Дело в том, что когда мы смотрим внутрь, на отдельные звезды, находящиеся там, они представляют собой почти идеальные сферы, как и наше Солнце.
Но точно так же, как сама туманность стала очень асимметричной, отдельные звезды, сформировавшиеся внутри, произошли из несовершенных, сверхплотных, асимметричных сгустков внутри этой туманности.
Они схлопнутся сначала в одном (из трех) измерении, а поскольку материя - такие как мы с вами, атомы, состоящие из ядер и электронов - слипаются и взаимодействуют, когда вы их шлепаете в другую материю, вы получите удлиненный диск, в общем, из материи. Да, гравитация притянет большую часть этого вещества к центру, где сформируются звезды, но вокруг него вы получите то, что известно как протопланетный диск. Благодаря космическому телескопу Хаббла мы смогли увидеть эти диски напрямую!
Итак, это ваш первый намек на то, что вы получите что-то более выровненное в плоскости, чем беспорядочно кишащая сфера. Чтобы перейти к следующему шагу, мы должны обратиться к симуляциям, так как мы не были достаточно долго, чтобы наблюдать, как разворачивается этот процесс - он занимает около миллиона лет - в любой молодой солнечной системе.
Но вот что рассказывают нам симуляции.
Протопланетный диск после «шлепка» в одном измерении будет продолжать сжиматься по мере того, как все больше и больше материи будет притягиваться к центру. Но в то время как большая часть материала направляется внутрь, значительное его количество оказывается на стабильной вращающейся орбите в этом диске.
Почему?
Есть физическая величина, которую необходимо сохранить: угловой момент, который говорит нам, насколько вся система - газ, пыль, звезда и все - внутренне вращается. Из-за того, как угловой момент работает в целом и как он довольно равномерно распределяется между различными частицами внутри, это означает, что все в диске должно двигаться, грубо говоря, в одном и том же направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки) в целом. Со временем этот диск достигает стабильного размера и толщины, а затем небольшая гравитационная нестабильность начинает превращать эту нестабильность в планеты.
Конечно, между разными частями диска есть небольшие, тонкие различия (и гравитационные эффекты, возникающие между взаимодействующими планетами), а также небольшие различия в начальных условиях. Звезда, формирующаяся в центре, - это не одна точка, а протяженный объект где-то около миллиона километров в диаметре. И когда вы соберете все это вместе, это приведет к тому, что все окажется не в одной совершенно единственной плоскости, а будет очень близко.
На самом деле, мы только недавно - всего несколько месяцев назад - открыли самую первую планетную систему помимо нашей, которую мы поймали в процессе формирования новых планет в одной плоскости.
Молодая звезда в верхнем левом углу изображения выше, на окраине туманной области - HL Тельца, примерно в 450 световых годах от нас - , окружена протопланетным диском. Самой звезде всего около миллиона лет. Благодаря ALMA, массиву с длинной базой, который измеряет свет довольно длинных (миллиметровых) длин волн, или более чем в тысячу раз длиннее, чем то, что могут видеть наши глаза, было получено следующее изображение.
Это явно диск, все в одной плоскости, но тем не менее там есть темные «пробелы». Каждая из этих щелей соответствует молодой планете, которая притягивает всю материю в своем окружении! Мы не знаем, какие из них сольются вместе, какие будут выброшены, а какие мигрируют внутрь и будут поглощены своей родительской звездой, но мы являемся свидетелями поворотного шага в развитии молодой Солнечной системы.
Так почему же все планеты находятся в одной плоскости? Потому что они образуются из асимметричного облака газа, которое сначала схлопывается в кратчайшем направлении; материя «расплескивается» и слипается; он сжимается внутрь, но в конечном итоге вращается вокруг центра, при этом планеты формируются из несовершенств этого молодого диска материи; все они вращаются в одной плоскости, отделенные друг от друга всего несколькими градусами - самое большее - .
Замечательная история, которая - благодаря не только симуляциям, но и наблюдениям за самой Вселенной - по-видимому, демонстрирует замечательное соответствие между нашими лучшими научными теориями и тем, какова Вселенная на самом деле!
Спасибо за отличный вопрос, Ник. Если у вас есть вопрос или предложение для следующей рубрики «Спросите Итана», присылайте его сюда. Увидимся на следующей неделе, чтобы узнать больше о чудесах и радостях Вселенной!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!