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

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 границы, выяснится, что пояс Койпера также находится в этой плоскости. Учитывая то, что Солнце имеет сферическую форму и в космосе появляются звезды, вокруг которых планеты вращаются в каких угодно направлениях, факт того, что в нашей системе все выстроилось таким образом, 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 сегодня ученые рассчитали орбиты планет с поразительной точностью. Они выяснили, что небесные тела вращаются вокруг Солнца в одной и той же двумерной плоскости с различием не более 7°.

Более того, если убрать из этого уравнения Меркурий — самую близкую к Солнцу планету, — станет заметно, насколько верно все остальное упорядочено по отношению друг к другу: отклонения от неизменной плоскости Солнечной системы составляют не более двух градусов.

К тому же планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в котором вращается оно само 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.

Тем не менее сложно представить, что все сложилось так само собой, а не кто-то извне втиснул все тела в одну систему и заставил их двигаться в одной плоскости. Интуитивно можно предположить, что орбиты должны быть ориентированы случайным образом, так как гравитация работает одинаково во всех трех (пространственных) измерениях. Также вероятнее предположить образование некоего роя из клочков вещества, нежели упорядоченный набор идеальных кругов. Дело в том, что, если очень сильно отдалиться от Солнца — дальше планет и астероидов, дальше кометы Галлея и ей подобных, выйти даже за пределы пояса Койпера, — именно это вы и увидите.

Итак, почему планеты оказались в одном диске? Почему они все 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.

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

Вы тут 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 из-за того, что это инерционная сила, возрастающая вчетверо при каждом уменьшении расстояния к массивному объекту вдвое, она воспринимает даже небольшие различия в исходной форме и значительно усиливает их за короткий срок.

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

Однако как сама туманность стала несимметричной, так и отдельные звезды, сформировавшиеся в ней, образовались из сверхплотных несимметричных сгустков. Эти сгустки коллапсируют в одном из трех измерений, а так как вещество, из которого состоим 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.

Это первая своего рода подсказка, указывающая на то, что в итоге получится нечто упорядоченное в одной плоскости. Чтобы перейти к следующему шагу, нам придется обратиться к симуляциям, так как мы еще недостаточно долго существуем и попросту не успели наблюдать это явление — а ему требуется 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 стабильные вращающиеся орбиты в этом диске.

Почему? Существует физическая величина, которая должна сохраняться: угловой момент, рассказывающий нам, сколько вращается вся система — газ, пыль, звезда и все остальное. То, как угловой момент работает и как равно 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. Со временем этот диск достигнет стабильных размеров и плотности, а затем небольшие гравитационные неустойчивости начнут превращать эти неустойчивости в планеты.

Конечно, есть небольшие различия между частями диска, как и небольшие различия в изначальных условиях. Звезда, образующаяся в центре, это не одна точка, а скорее протяженный объект — около миллиона километров в диаметре. При сложении всех этих деталей воедино не получится идеальной плоскости, но выйдет 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.

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, в котором все находится в одной плоскости, однако в нем присутствуют темные «разрывы». Каждый из этих разрывов соответствует молодой планете, притянувшей все вещество в своих окрестностях. Пока не известно, какие из них в итоге объединятся, какие выбросит из диска, а какие переместятся внутрь него и будут поглощены материнской звездой. Между тем нам представилась возможность наблюдать поворотный момент в развитии молодой звездной системы. И пусть ранее ученые 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 находятся 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, оно начинает вокруг него вращаться. В итоге 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, удивительным образом согласуются друг с другом. Так что, где бы во Вселенной вы ни оказались, любые планеты вокруг любых звезд всегда будут вращаться в одной плоскости.