Учені нерідко кажуть, що в нескінченно великому Всесвіті може статися все що завгодно. Однак спостереження, розрахунки та симуляції показують, що в зоряних системах планети завжди обертаються навколо зірки в одній площині та в одному напрямку. З’ясовуємо, чому так відбувається.
У Сонячній системі панує порядок: чотири внутрішні планети, пояс астероїдів і чотири газові гіганти обертаються навколо Сонця в одній площині. І навіть якщо вийти за ці межі, з’ясується, що пояс Койпера також знаходиться в цій площині. З огляду на те, що Сонце має сферичну форму і в космосі з’являються зірки, навколо яких планети обертаються в яких завгодно напрямках, факт того, що в нашій системі все вишикувалося так, здається надто вже й великим збігом. Ба більше, ми спостерігали, що майже в кожній зоряній системі планети шикуються так само. Спробуємо розібратися, з чим це пов’язано.
На сьогодні вчені розрахували орбіти планет з вражаючою точністю. Вони з’ясували, що небесні тіла обертаються навколо Сонця в одній і тій самій двовимірній площині з різницею не більше 7°.
Ба більше, якщо прибрати з цього рівняння Меркурій – найближчу до Сонця планету, – стане помітно, наскільки вірно все інше впорядковано відносно одна одної: відхилення від незмінної площини Сонячної системи становлять не більше двох градусів.
До того ж планети обертаються навколо Сонця в тому ж напрямку, в якому обертається воно саме навколо своєї осі. Як ви вже могли здогадатися, вісь обертання Сонця також перебуває в межах 7° відхилення порівняно з орбітами всіх планет у системі.
Проте складно уявити, що все склалося так само собою, а не хтось ззовні втиснув усі тіла в одну систему і змусив їх рухатися в одній площині. Інтуїтивно можна припустити, що орбіти мають бути орієнтовані випадковим чином, оскільки гравітація працює однаково у всіх трьох (просторових) вимірах. Також імовірніше припустити утворення якогось рою з клаптиків речовини, ніж упорядкований набір ідеальних кіл. Річ у тім, що, якщо дуже сильно віддалитися від Сонця – далі за планети й астероїди, далі за комету Галлея та подібні до неї, вийти навіть за межі поясу Койпера, – саме це ви й побачите.
- “Джеймс Вебб” виявив екзопланету, в атмосфері якої може бути водяна пара
- На Місяці виявили гігантську споруду (фото + відео)
- Що відомо про метан на Марсі?
Отже, чому планети опинилися в одному диску? Чому вони всі розташовані в одній площині, а не безладно літають навколо зірки? Щоб зрозуміти це, потрібно повернутися в часи, коли Сонце тільки починало формуватися з однієї з молекулярних газових хмар, з яких утворюються всі зірки у Всесвіті.
Коли молекулярна хмара стає досить масивною, гравітаційно зв’язаною і досить холодною, щоб стискатися і колапсувати під дією власної гравітації, – на кшталт туманності Трубка (зверху зліва), – вона утворює достатньо щільні області, в яких з ‘являються нові зоряні кластери (позначені колами на зображенні, у правому верхньому куті).
Ви одразу ж звернете увагу, що ця туманність, як і будь-яка подібна до неї, не має ідеальної сферичної форми, вона радше незвично довгаста. Гравітація не терпить недосконалостей, а через те, що це інерційна сила, яка зростає вчетверо за кожного зменшення відстані до масивного об’єкта вдвічі, вона сприймає навіть невеликі відмінності в початковій формі та значно посилює їх за короткий термін.
У результаті виходить зореутворюча туманність із несиметричною формою: зірки в ній утворюються в ділянках із найвищою щільністю газу. Але якщо зазирнути всередину неї і подивитися на окремі зірки, то ми побачимо, що вони являють собою практично ідеальні сфери – на кшталт Сонця.
Однак як сама туманність стала несиметричною, так і окремі зірки, що сформувалися в ній, утворилися з надщільних несиметричних згустків. Ці згустки колапсують в одному з трьох вимірів, а оскільки речовина, з якої складаємося ми, атоми, атомні ядра й електрони, притягається сама до себе та взаємодіє під час зіткнення з іншою речовиною, у підсумку вийде продовгуватий диск із речовини. Так, гравітація притягуватиме більшу її частину до центру диска, в якому сформується зірка, але навколо неї утворюється те, що вчені називають протопланетним диском. І завдяки космічному телескопу “Хаббл” нам вдалося побачити ці диски безпосередньо.
Це перша свого роду підказка, яка вказує на те, що в підсумку вийде щось упорядковане в одній площині. Щоб перейти до наступного кроку, нам доведеться звернутися до симуляцій, оскільки ми ще недостатньо довго існуємо і просто не встигли спостерігати це явище – а йому потрібно близько мільйона років – у молодій зоряній системі.
- У чорній дірі виявлена колосальна буря
- NASA відклало старт октокоптера до Титану на рік
- У системах з двома сонцями теж може існувати життя
Після того як протопланетний диск “сплющується” в одному вимірі, він продовжить стискатися з потраплянням все більшої речовини в його центр. Але, незважаючи на те, що більша частина матеріалу зосередиться в ньому, чимала частина газу і пилу вийде на стабільні орбіти, що обертаються, в цьому диску.
Чому? Існує фізична величина, яка має зберігатися: кутовий момент, що розповідає нам, скільки обертається вся система – газ, пил, зірка і все інше. Те, як кутовий момент працює і як рівно він розподілений між усіма частинками системи, по суті, вказує, що все в диску має рухатися, грубо кажучи, в одному напрямку – за годинниковою стрілкою або проти неї. Згодом цей диск досягне стабільних розмірів і щільності, а потім невеликі гравітаційні нестійкості почнуть перетворювати ці нестійкості на планети.
Звичайно, є невеликі відмінності між частинами диска, як і невеликі відмінності в початкових умовах. Зірка, що утворюється в центрі, це не одна точка, а скоріше протяжний об’єкт – близько мільйона кілометрів у діаметрі. При складанні всіх цих деталей воєдино не вийде ідеальної площини, але вийде щось дуже близьке до неї. По суті, ми зовсім недавно знайшли першу планетну систему за межами Сонячної, в якій нам вдалося спостерігати процес формування молодих планет в одній площині.
Молода зірка HL Тельця, розташована приблизно в 450 світлових роках від Землі, оточена протопланетним диском. Вік самої зірки оцінюється приблизно в мільйон років. Очевидно, що це диск, у якому все розташовано в одній площині, проте в ньому присутні темні “розриви”. Кожен із цих розривів відповідає молодій планеті, яка притягнула всю речовину у своїх околицях. Поки що невідомо, які з них зрештою об’єднаються, які викине з диска, а які перемістяться всередину нього і будуть поглинені материнською зіркою. Тим часом нам випала можливість спостерігати поворотний момент у розвитку молодої зоряної системи. І нехай раніше вчені змогли спостерігати молоді планети, саме цей етап дослідити не вдавалося. Усі етапи формування зоряної системи дивовижні й відповідають одній і тій самій історії.
Але чому планети розташовані в одній площині? Тому що вони формуються з несиметричної газової хмари, яка спочатку колапсує в найкоротшому напрямку, потім речовина “сплющується” і “склеюється” із самою собою, після чого стискається у напрямку до центру. Але замість того, щоб упасти на нього, вона починає навколо нього обертатися. У підсумку з неоднорідностей у цьому молодому диску утворюються планети, які продовжують обертатися в тій самій площині з різницею в кілька градусів.
Це один із тих випадків, коли спостереження і симуляції, засновані на теоретичних розрахунках, дивовижним чином узгоджуються одне з одним. Тож, де б у Всесвіті ви не опинилися, будь-які планети навколо будь-яких зірок завжди будуть обертатися в одній площині.