100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Почему орбиты планет лежат в одной плоскости?

Возможности почти безграничны, но почему же всё выстраивается в линию?

Если подумать обо всех возможностях, это действительно кажется маловероятным.

Сегодня мы разметили орбиты всех планет с невероятной точностью, и нашли, что все они обращаются вокруг Солнца в одной и той же двумерной плоскости с разницей не более 7°.

А если убрать Меркурий, самую внутреннюю планету с самой наклонной плоскостью вращения, всё остальное окажется очень хорошо выровненным: отклонение от средней плоскости орбиты составит около двух градусов.

Также все они достаточно хорошо выровнены по отношению к оси вращения Солнца: как планеты вращаются вокруг Солнца, так и Солнце вращается вокруг своей оси. И, как можно было ожидать, ось вращения Солнца находится в пределах 7° отклонения от [осей] орбит планет.

И всё-таки такое положение дел выглядит маловероятным, если только какая-то сила не сдавила орбиты планет в одну плоскость. Можно было бы ожидать, что орбиты планет сориентировались бы случайным образом, поскольку гравитация – сила, удерживающая планеты на постоянных орбитах – одинаково работает по всем трём измерениям.

Можно было бы ожидать некую толпу вместо аккуратного и последовательного набора из почти идеальных кругов. Интересно, что если отдалиться от Солнца достаточно далеко, за планеты с астероидами, за орбиты комет типа Галлея и за пояс Койпера – именно такую картину вы и обнаружите.

Так что же принудило наши планеты оказаться в одном диске? В одной плоскости орбит вокруг Солнца, вместо роя вокруг него?

Чтобы разобраться в этом, давайте перенесёмся во времена формирования Солнца: из молекулярного облака газа, из той материи, из которой рождаются все новые звёзды во Вселенной.

Когда молекулярное облако вырастает достаточно массивным, и становится гравитационно связанным и достаточно холодным, чтобы сжаться и сколлапсировать под собственной тяжестью, как туманность Труба (вверху, слева), она сформирует достаточно плотные районы, в которых будут образовываться новые звёздные кластеры (вверху, справа).

Можно заметить, что эта туманность – и любая другая, похожая на неё – не будет идеальной сферой. Она имеет неровную вытянутую форму. Гравитация не прощает несовершенств, и из-за того, что гравитация – сила ускоряющаяся, которая увеличивается вчетверо каждый раз при уменьшении дистанции вдвое, она берёт даже небольшие неровности в изначальной форме и очень быстро их увеличивает.

В результате получается формирующая звёзды туманность сильно асимметричной формы, и звёзды образуются там, где газ плотнее всего. Если заглянуть внутрь, на отдельные присутствующие там звёзды, они представляют собой почти идеальные сферы, как наше Солнце.

Но так же, как туманность стала асимметричной, так и отдельные звёзды, сформировавшиеся внутри, появились из неидеальных, чрезмерно плотных асимметричных комков материи внутри туманности.

В первую очередь они сколлапсируют в каком-то одном (из трёх) измерении, и поскольку материя – вы, я, атомы, состоящие из ядер и электронов – собирается вместе и взаимодействует, если швырнуть её в другую материю, у вас в результате получится вытянутый диск материи. Да, гравитация притянет большую часть материи к центру, где и сформируется звезда, но вокруг неё вы получите то, что называется протопланетарным диском. Благодаря телескопу им. Хаббла мы видели такие диски непосредственно!

Вот вам первая подсказка, почему у вас получится нечто выровненное в плоскость вместо сферы со случайно летающими планетами. Далее нам нужно обратиться к результатам симуляций, поскольку мы не присутствовали в молодой солнечной системе так долго, чтобы наблюдать это формирование воочию – оно занимает порядка миллиона лет.

Читайте так же:
Как побороть последствия стресса

И вот что нам говорят симуляции.

Протопланетарный диск, сплющившись в одном измерении, продолжит сжиматься по мере того, как всё больше газа будет притягиваться к центру. Но пока большое количество материала затягивается внутрь, приличная его доля окажется на стабильной орбите где-то на этом диске.

Из-за необходимости сохранения такой физической величины, как момент импульса, который показывает количество вращения всей системы – газа, пыли, звезды и прочего. Из-за того, как работает момент импульса, и как он примерно равномерно распределяется между разными частицами внутри, следует, что всё внутри диска должно двигаться, грубо говоря, в одном направлении (по часовой или против часовой). Со временем диск достигает стабильных размеров и толщины, а затем небольшие гравитационные отклонения начинают вырастать в планеты.

Конечно, по объёму диска существуют небольшие различия между его частями (и гравитационные эффекты между взаимодействующими планетами), а также играют роль и небольшие различия начальных условий. Формирующаяся в центре звезда представляет собой не математическую точку, а большой объект диаметром порядка миллиона километров. И когда вы собираете всё это вместе, это приводит к распределению материи не в идеальной плоскости, но в форме, близкой к ней.

Вообще, мы только довольно недавно обнаружили первую планетную систему, находящуюся в процессе формирования планет, и их орбиты расположены в одной плоскости.

Молодая звезда слева вверху, на задворках туманности – HL Тельца, расположенная в 450 световых годах от нас – окружена протопланетарным диском. Самой звезде всего миллион лет. Благодаря ALMA, массиву с длинной базой, улавливающему свет на довольно длинных волнах (миллиметровых), длина которых более чем в тысячу раз превышает длину видимого света, мы и получили это изображение.

Это явно диск, со всей материей в одной плоскости, при этом в нём есть тёмные пропуски. Эти пропуски соответствуют молодым планетам, собравшим близлежащую материю! Мы не знаем, какие из них сольются вместе, какие будут вышвырнуты, и какие подойдут поближе к звезде и будут ею проглочены, но мы наблюдаем критический этап формирования молодой солнечной системы.

Так почему же все планеты находятся в одной плоскости? Потому, что они формируются из асимметричного облака газа, коллапсирующего сначала в самом коротком из направлений; материя сплющивается и держится вместе; она сокращается внутрь, но оказывается вращающейся вокруг центра. Планеты формируются благодаря неровностям в материи диска, и в результате все их орбиты оказываются в одной плоскости, различающиеся друг от друга максимум несколькими градусами.

Потрясающая история, и благодаря не только симуляциям, но и наблюдениям Вселенной, показывающая потрясающее согласие наших лучших научных теорий и реального состояния Вселенной.

Спасибо за прекрасный вопрос! Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.

masterok

По модели Солнечной системы можно понять, что орбиты всех ее планет находятся как будто в одной плоскости. Если космическое пространство настолько необъятное, то возникает вопрос: почему планеты двигаются именно по таким траекториям, а не вращаются вокруг Солнца хаотично?

Читайте так же:
Коста-Дорада – побережье Балеарского моря: читаем по пунктам

Планеты Солнечной системы отдалены друг от друга. Движутся они по специальным траекториям – орбитам. Планетные орбиты имеют форму вытянутого круга. При этом орбиты располагаются почти в одной плоскости, которая называется плоскостью эклиптики. Именно по эклиптике, большому кругу небесной сферы, движется Солнце. Это движение можно наблюдать с Земли в течение года. Полный оборот Солнце совершает за сидерический год, который равен 365,2564 дням.

Проблема расположения планет напрямую связана с теорией формирования Солнечной системы. Это достаточно сложный вопрос, тем более что ученым остается лишь моделировать и устраивать симуляции данного процесса. Стоит отметить, что фактически орбиты лежат почти в одной плоскости, поскольку им свойственно небольшое отклонение.

Вероятная причина такого расположения заключается в том, что планеты Солнечной системы образовались в пределах единого протопланетного диска. Другими словами – они сформировались из одной и той же материи. В процессе образования центральной звезды частицы за ее пределами продолжали двигаться и вращаться хаотично, но при этом на них действовал общий центр масс. Таким образом, вращение Солнца образовало единую плоскость вращения планет.

Предполагаемый возраст Солнечной системы – 4,6 миллиардов лет. В первую очередь, в центральной части газопылевого облака образовалось Солнце. Вокруг него, из вещества, оказавшегося за пределами центра, сформировался протопланетный диск. Позже из него возникли планеты, спутники и прочие космические тела.

Само же облако, по предположению ученых, могло образоваться после взрыва сверхновой звезды. Ее масса, должно быть, соответствовала массе 30 Солнц. Сверхновая звезда заполучила название Коатликуэ. Впоследствии Солнечная система эволюционировала.

В соответствии с Законом всемирного тяготения, планеты вращаются вокруг Солнца, так как оно обладает значительно большей массой. Поэтому Солнечная система остается относительно стабильной и планеты не улетают в космос. Ученым удалось обнаружить молодую звезду HL Тельца, возраст которой – около 100 000 лет. Она располагается на расстояние 450 световых лет от Земли. Вокруг звезды обнаружен протопланетный диск, а также одна сформировавшаяся планета возрастом не более 2000 лет. В пределах данного диска отчетливо видны скопления газов, которые впоследствии могут стать планетами.

Эта находка предоставляет возможность ученым наблюдать за формированием новой звездной системы и на основании полученных данных расширять сведения о появлении Солнечной системы.

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

Ученые нередко говорят, что в бесконечно большой Вселенной может произойти все что угодно. Однако наблюдения, расчеты и симуляции показывают, что в звездных системах планеты всегда обращаются вокруг звезды в одной плоскости и в одном направлении. Выясняем, почему так происходит.

Солнечная система

©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 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°.

Читайте так же:
Почему античные статуи белые?

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.

Восемь планет Солнечной системы вращаются 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 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.

Большое молекулярное облако, каких много в Млечном Пути и других галактиках местной группы, часто будет разрываться, сжиматься и порождать новые, массивные звезды с течением времени / © Yuri Beletsky/Las Campanas Observatory/Carnegie Institution for Science/J. Alves/M. Lombardi/C. J. Lada

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.

Читайте так же:
Зачем раньше варили джинсы?

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.

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, 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.

Протопланетный диск вокруг молодой звезды HL Тельца. Промежутки в диске 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, 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.

Читайте так же:
Обыкновенная лисица - Описание, фото, видео, подвиды, ареал, враги, питание и размножение

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.

Астрономы показали, почему в системе TRAPPIST-1 планеты лежат точно в одной плоскости

Планеты в системе TRAPPIST-1 находятся очень близко друг к другу и практически в одной плоскости. Ученые теперь выяснили, почему небесные тела не изменили свое положение в результате гравитационного взаимодействия.

В Солнечной системе, которая кажется плоской, орбиты небесных тел на самом деле отличаются на несколько градусов. Но в TRAPPIST-1 они лежат практически точно в одной плоскости. Теперь ученые нашли объяснение этому

Все планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца более-менее в одной плоскости. Если взять орбиту Земли за ноль, то сильнее всего окажется наклонена орбита Меркурия — на целых 7 градусов. При этом угол наклона орбиты карликовой планеты Плутон составляет 17,2 градуса. Орбитальные характеристики планет развиваются по мере рассеивания протопланетного диска из газа и пыли, а также по мере того, как сами молодые планеты мигрируют в диске в результате взаимного гравитационного воздействия и аккреции материала диска. Поэтому астрономы признают, что орбитальный облик планетной системы отражает ее эволюционную историю.

Планеты обычно рождаются в одной плоскости из-за формы протопланетного диска, но со временем они мигрируют и их орбиты могут наклоняться. Но в системе TRAPPIST-1, которая состоит из семи планет размером с Землю и находится примерно в 40 световых годах от Солнца, самый большой угол наклона орбиты относительно плоскости составляет 0,072 градуса.

Тот факт, что все планеты системы лежат в практически точно в одной плоскости потенциально является очень важным ограничением для ее формирования и эволюции. Система также очень компактна — самая удаленная из ее семи планет вращается всего в 0,06 астрономических единиц от звезды (в нашей Солнечной системе Меркурий вращается более чем в пять раз дальше). В такой плотно упакованной конфигурации взаимное гравитационное притяжение планет будет особенно сильно влиять на такие детали, как наклон орбиты.

Авторы новой работы создали 3D-компьютерное моделирование газового диска и планет для изучения ряда возможных моделей формирования TRAPPIST-1, включая несколько предложенных в предыдущих исследованиях вариантов. Зная, что газообразный протозвездный диск влияет на миграционные свойства планет, ученые также были особенно заинтересованы в изучении того, какой могла быть минимальная масса газопылевого диска в TRAPPIST-1.

Ученые адаптировали компьютерный код AREPO, который в прошлом успешно использовался главным образом для космологического моделирования. Анализ показал, что, в соответствии с некоторыми более ранними исследованиями, семь планет в системе, вероятно, формировались последовательно, каждая изначально находилась на таком расстоянии от звезды, где температура позволяет поддерживать жидкую воду, а затем она постепенно приближается к звезде, «подталкиваемая» следующими небесными телами, формирующимися за ней.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию