Naukowcy często mówią, że w nieskończenie dużym wszechświecie wszystko może się zdarzyć. Jednak obserwacje, obliczenia i symulacje pokazują, że w układach gwiezdnych planety zawsze krążą wokół gwiazdy w tej samej płaszczyźnie i w tym samym kierunku. Dowiadujemy się, dlaczego tak się dzieje.
W Układzie Słonecznym panuje porządek: cztery wewnętrzne planety, pas asteroid i cztery gazowe olbrzymy krążą wokół Słońca w jednej płaszczyźnie. A nawet jeśli przekroczysz te granice, okaże się, że pas Kuipera również znajduje się na tej płaszczyźnie. Biorąc pod uwagę, że Słońce ma kulisty kształt, a gwiazdy pojawiają się w przestrzeni, wokół której krążą planety w dowolnym kierunku, fakt, że wszystko w naszym układzie jest ułożone w ten sposób, wydaje się zbyt dużym zbiegiem okoliczności. Co więcej, zaobserwowaliśmy, że prawie w każdym systemie gwiezdnym planety ustawiają się w ten sam sposób. Spróbujmy dowiedzieć się, z czym to się wiąże.
Do tej pory naukowcy obliczyli orbity planet z zadziwiającą dokładnością. Odkryli, że ciała niebieskie krążą wokół Słońca w tej samej dwuwymiarowej płaszczyźnie z różnicą nie większą niż 7 °.
Co więcej, jeśli usuniesz z tego równania Merkurego - planetę najbliżej Słońca - staje się zauważalne, jak prawdziwe jest wszystko inne w stosunku do siebie: odchylenia od stałej płaszczyzny Układu Słonecznego nie przekraczają dwóch stopni.
Osiem planet Układu Słonecznego krąży wokół Słońca w prawie identycznej płaszczyźnie - niezmiennej płaszczyźnie. Jest to typowe dla znanych systemów gwiezdnych / Joseph Boyle.
Ponadto planety krążą wokół Słońca w tym samym kierunku, w którym obraca się ono wokół własnej osi. Jak można się domyślić, oś obrotu Słońca również znajduje się w zakresie 7 ° odchylenia w porównaniu z orbitami wszystkich planet w układzie.
Niemniej jednak trudno sobie wyobrazić, że wszystko potoczyło się w ten sposób samo, a nie ktoś z zewnątrz ścisnął wszystkie ciała w jeden układ i nie kazał im poruszać się w jednej płaszczyźnie. Intuicyjnie można założyć, że orbity powinny być zorientowane losowo, ponieważ grawitacja działa tak samo we wszystkich trzech (przestrzennych) wymiarach. Bardziej prawdopodobne jest również, że utworzy się rój skrawków materii niż uporządkowany zestaw idealnych kręgów. Faktem jest, że jeśli oddalisz się bardzo od Słońca - dalej niż planety i asteroidy, dalej od komety Halleya i tym podobnych, nawet wyjdziesz poza pas Kuipera - dokładnie to zobaczysz.
Dlaczego więc planety znalazły się na tym samym dysku? Dlaczego wszystkie znajdują się w tej samej płaszczyźnie, a nie przypadkowo latają wokół gwiazdy? Aby to zrozumieć, musisz cofnąć się do czasu, kiedy Słońce dopiero zaczynało się formować z jednego z obłoków gazu molekularnego, z którego powstają wszystkie gwiazdy we Wszechświecie.
Film promocyjny:
Duży obłok molekularny, który występuje w dużej ilości w Drodze Mlecznej i innych galaktykach z lokalnej grupy, często z czasem pęka, zapada się i tworzy nowe, masywne gwiazdy / Yuri Beletsky / Obserwatorium Las Campanas / Carnegie Institution for Science / J. Alves / M. Lombardi / CJ Lada.
Kiedy obłok molekularny staje się wystarczająco masywny, związany grawitacyjnie i wystarczająco zimny, aby kurczyć się i zapadać pod wpływem własnej grawitacji - jak mgławica Rura (na górze po lewej) - tworzy wystarczająco gęste obszary, w których pojawiają się nowe gromady gwiazd (zaznaczone przez okręgi na zdjęciu, w prawym górnym rogu).
Od razu zauważysz, że ta mgławica, jak każda podobna do niej, nie ma idealnego kulistego kształtu, jest raczej niezwykle podłużna. Grawitacja nie toleruje niedoskonałości, a dzięki temu, że jest to siła bezwładności, która zwiększa się czterokrotnie z każdym zmniejszeniem o połowę odległości od masywnego obiektu, dostrzega nawet drobne różnice w pierwotnej formie i znacznie je potęguje w krótkim czasie.
Rezultatem jest mgławica gwiazdotwórcza o asymetrycznym kształcie: gwiazdy w niej tworzą się w regionach o największej gęstości gazu. Ale jeśli zajrzymy do środka i spojrzymy na pojedyncze gwiazdy, zobaczymy, że są to prawie idealne kule - jak Słońce.
Jednak gdy sama mgławica stała się asymetryczna, tak pojedyncze gwiazdy, które się w niej uformowały, powstały z bardzo gęstych asymetrycznych skupisk. Te grudki zapadają się w jednym z trzech wymiarów, a ponieważ substancja, z której się składamy, atomy, jądra atomowe i elektrony, są przyciągane do siebie i oddziałują podczas zderzenia z inną substancją, w wyniku czego powstaje podłużny dysk materii. Tak, grawitacja przyciągnie większość tego w kierunku środka dysku, gdzie utworzy się gwiazda, ale wokół niego powstanie to, co naukowcy nazywają dyskiem protoplanetarnym. Dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Hubble'a mogliśmy bezpośrednio zobaczyć te dyski.
To pierwsza wskazówka wskazująca, że efektem końcowym jest coś uporządkowanego w jednej płaszczyźnie. Aby przejść do następnego kroku, będziemy musieli przejść do symulacji, ponieważ nie istnieliśmy wystarczająco długo i po prostu nie mieliśmy czasu, aby obserwować to zjawisko - a trwa to około miliona lat - w młodym układzie gwiazd.
Po tym, jak dysk protoplanetarny zostanie „spłaszczony” w jednym wymiarze, będzie się on nadal kurczył, a do jego centrum dociera coraz więcej materii. Ale pomimo faktu, że większość materiału będzie w nim skoncentrowana, duża część gazu i pyłu zostanie uwolniona na stabilne obrotowe orbity w tym dysku.
Zgodnie z symulacjami asymetryczne skupiska materii najpierw kurczą się do jednego wymiaru, a następnie zaczynają się obracać. To na tej płaszczyźnie powstają planety / C. Burrows / J. Krist / K. Stabelfeldt / NASA.
Czemu? Istnieje wielkość fizyczna, którą należy zachować: moment pędu, który mówi nam, jak bardzo obraca się cały układ - gaz, pył, gwiazda i wszystko inne. Sposób działania momentu pędu i jego równomierne rozłożenie na wszystkie cząstki w układzie w rzeczywistości wskazuje, że wszystko w dysku powinno poruszać się, mówiąc z grubsza, w jednym kierunku - zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Z biegiem czasu ten dysk osiągnie stabilny rozmiar i gęstość, a następnie małe niestabilności grawitacyjne zaczną przekształcać te niestabilności w planety.
Oczywiście są małe różnice między częściami dysku, a także niewielkie różnice w warunkach początkowych. Gwiazda tworząca się w centrum nie jest pojedynczym punktem, ale raczej rozciągłym obiektem o średnicy około miliona kilometrów. Kiedy dodasz wszystkie te części do siebie, nie otrzymasz idealnego samolotu, ale wyjdzie coś bardzo bliskiego. W rzeczywistości niedawno odkryliśmy pierwszy układ planetarny poza Słońcem, w którym mogliśmy obserwować formowanie się młodych planet na tej samej płaszczyźnie.
Dysk protoplanetarny wokół młodej gwiazdy HL Taurus. Luki w dysku wskazują na obecność nowych planet / ALMA / ESO / NAOJ / NRAO.
Młoda gwiazda HL Taurus, znajdująca się około 450 lat świetlnych od Ziemi, jest otoczona dyskiem protoplanetarnym. Szacuje się, że sama gwiazda ma około miliona lat. Jest to oczywiście dysk, na którym wszystko jest w tej samej płaszczyźnie, ale są w nim ciemne „przerwy”. Każda z tych przerw odpowiada młodej planecie, która przyciągnęła całą materię ze swojego otoczenia. Nie wiadomo jeszcze, który z nich ostatecznie się zjednoczy, który zostanie wyrzucony z dysku, a który poruszy się w jego wnętrzu i zostanie wchłonięty przez gwiazdę macierzystą. W międzyczasie mieliśmy okazję zaobserwować punkt zwrotny w rozwoju młodego układu gwiezdnego. I chociaż wcześniej naukowcy byli w stanie obserwować młode planety, nie było możliwe zbadanie tego etapu. Wszystkie etapy tworzenia systemu gwiezdnego są niesamowite i odpowiadają tej samej historii.
Ale dlaczego planety znajdują się na tej samej płaszczyźnie? Ponieważ powstają z asymetrycznej chmury gazu, która najpierw zapada się w najkrótszym kierunku, potem substancja „spłaszcza się” i „przykleja” do siebie, a następnie kurczy się w kierunku środka. Ale zamiast na niego spaść, zaczyna się wokół niego kręcić. W rezultacie planety powstają z niejednorodności tego młodego dysku, które nadal obracają się w tej samej płaszczyźnie z różnicą kilku stopni.
To jeden z tych przypadków, w których obserwacje i symulacje oparte na obliczeniach teoretycznych są ze sobą zaskakująco spójne. Tak więc, gdziekolwiek jesteś we Wszechświecie, wszystkie planety wokół gwiazd zawsze będą się obracać w tej samej płaszczyźnie.
Vladimir Guillen
