Современная астрофизика отвечает на древнейший вопрос Исаака Ньютона

Находясь на грани науки и религии, Ньютон задавался вопросом, кто приводит планеты в движение. Астрофизика дает ответ.

В XVII веке произошел один из величайших скачков в истории науки. В начале столетия гелиоцентризм был лишь альтернативной идеей, которая хуже соответствовала данным, чем господствовавшая более 1000 лет геоцентрическая модель. Законы, управляющие движением объектов на Земле, которые мы теперь знаем как классическую механику, были в основном неизвестны, а явление гравитации не было понято. Телескоп еще не был изобретен, и наблюдения невооруженным глазом оставались лучшими инструментами человечества для исследования космоса.

К концу века все изменилось. Наконец стало известно, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллипсам, причем внешние планеты движутся со скоростями, пропорциональными их расстоянию от Солнца. У планет были свои системы спутников, у Сатурна были кольца, Венера демонстрировала фазы, а законы движения и гравитации, как было показано, применимы ко всем известным объектам на Земле и в небесах. Это стало кульминацией в работе Исаака Ньютона, который изобрел исчисление, кодифицировал законы движения и разработал универсальный закон гравитации. Тем не менее, Ньютон столкнулся с проблемами, которые он не мог решить, и одна из его самых известных цитат гласит:

“Гравитация объясняет движение планет, но она не может объяснить, кто приводит планеты в движение”.

Теперь, в XXI веке, современная астрофизика наконец-то держит ответ. Оказывается, это не “кто”, а “что” впервые привело планеты в движение.

Современный взгляд на Солнечную систему

Когда мы смотрим на структуру нашей Солнечной системы сегодня, мы знаем о ней гораздо больше, чем Ньютон в свое время. Да, Солнце является якорем Солнечной системы, но, в отличие от Ньютона, мы знаем, что оно составляет 99,8% от общей массы Солнечной системы. Оно вращается вокруг своей оси, но экватор и полюса вращаются с разной скоростью: 25 дней на экваторе по сравнению с 33 днями (или даже немного больше) на крайних полюсах. Двигаясь наружу, мы видим, что наша Солнечная система обладает:

• четырьмя внутренними каменистыми планетами,
• поясом астероидов,
• газовыми гигантами,
• поясом Койпера, откуда происходит большинство периодических комет,
• и рассеянным диском и облаком Оорта за его пределами, откуда происходит большинство гиперболических комет.

Ньютоновской гравитации достаточно для объяснения движения всех этих объектов, с лишь незначительными поправками (из-за общей теории относительности), необходимыми для описания прецессионных движений внутренних каменистых планет. Во времена Ньютона было известно только шесть планет (и ни одного астероида, и одна или две предполагаемые периодические кометы). Но сегодня мы не только знаем гораздо больше о нашей собственной Солнечной системе, но и знаем о тысячах других звезд с планетными системами вокруг них: экзопланетах.

Экзопланеты и их различия

Между этими экзопланетными системами и нашей Солнечной системой есть некоторые сходства, но есть и важные различия. Эти системы, похоже, также подчиняются ньютоновскому закону всемирного тяготения, и планеты в них следуют эллиптическим орбитам, которые определяются гравитацией их родительских звезд. Планеты бывают самых разных масс, но, в отличие от нашей Солнечной системы, нет разграничения между тем, где можно найти каменистые и газовые миры: на любом расстоянии, ближнем или дальнем, от звезд(ы), вокруг которых они вращаются. Кроме того, наиболее распространенный тип экзопланеты, известный на сегодняшний день – между массами Земли и Нептуна – вообще не представлен в нашей Солнечной системе.

Однако одним важным ограничением нашей Солнечной системы является тот факт, что она уже старая; с момента ее формирования прошло около 4,5 миллиардов лет. У нас мало представления о ее прошлой истории, так как всё, к чему мы имеем доступ, – это свидетельства, написанные на лице ее выживших. Сколько планет и/или спутников были:

• уничтожены столкновениями,
• поглощены другими планетами или Солнцем,
• или выброшены из нашей Солнечной системы полностью, за время ее существования? 

Мы не можем сказать наверняка, но многочисленные линии доказательств, от скорости образования кратеров на различных планетарных и лунных поверхностях до существования спутников вокруг Марса, Земли и Плутона и короткого времени жизни колец Сатурна, указывают на то, что ответ, вероятно, “по крайней мере, несколько”, а может быть, и больше.

Наблюдение за формированием молодых систем

К счастью, мы сейчас находимся в эпохе, когда можем наблюдать формирование молодых и даже новорожденных звездных и планетных систем, и извлекли из них множество уроков. 

Во-первых, почти каждая новорожденная звездная система, включая протозвездные системы, не обладает сферическим облаком материи вокруг нее, а скорее демонстрирует пластинчатую структуру, известную как протопланетный диск. 

Во-вторых, эти протопланетные диски остаются недифференцированными (т.е. однородными, без просветов или особенностей в них) только в течение первых ~1-2 миллионов лет истории системы, а затем особенности начинают появляться в системах, которым 2-10 миллионов лет, а затем, похоже, становятся “зрелыми” особенностями после того, как прошло 10+ миллионов лет.

Это означает, что планеты формируются относительно рано в истории звездно-планетной системы, но эпизоды экстремального насилия продолжаются гораздо дольше. Богатые пылью особенности, такие как осколочные диски вокруг звезд, могут сохраняться в течение нескольких сотен миллионов лет; 400-700 миллионов лет могут быть типичными для молодых звездных систем.

Мы полагаем, что это коррелирует с периодом тяжелой бомбардировки и частых ударов и столкновений среди молодых планет в таких системах, что согласуется со скоростью образования кратеров, наблюдаемой на Луне, Меркурии, Марсе и других мирах в нашей собственной Солнечной системе. В результате этих и многих других достижений в планетарной науке и планетарной астрономии мы теперь ближе к полной картине того, как формируются планетные системы, чем когда-либо прежде.

Кто (или что) привел планеты в движение?

Чтобы понять полную историю, мы должны начать с начала. И хотя планеты не начинают формироваться до ~2 миллионов лет после того, как их родительские звезды зажгли ядерный синтез в своих ядрах, история движения планет начинается задолго до этого: когда звезды, вокруг которых они в конечном итоге будут вращаться, только начинают формироваться. Одна из первых вещей, на которые мы должны обратить внимание, – это то, как формируются звезды: из коллапса молекулярных облаков газа. Эти облака газа должны сделать две вещи, чтобы коллапсировать и сформировать звезды:

• они должны накопить достаточно массы, обычно сотни тысяч солнечных масс, а иногда и больше, чтобы гравитационно коллапсировать под влиянием собственной массы,
• и они должны достаточно остыть, излучая это тепло, иначе давление, создаваемое этими тепловыми эффектами, предотвратит гравитационный коллапс.

Как только эти два критических пункта достигнуты, начальное газовое облако, из которого будут формироваться звезды, начинает коллапсировать. И когда этот коллапс происходит, он происходит не монолитно или в один большой сгусток. Скорее, в этом облаке газа есть области, которые изначально имеют чуть большую плотность, чем другие, и эти области служат центрами нуклеации для сжатия материи. В результате, когда газовые облака коллапсируют, они начинают фрагментироваться, и звезды формируются в основном в местах фрагментации, которые собирают наибольшую массу в кратчайшие сроки.

Может быть, неожиданно, мы узнаем, изучая эти места фрагментации, что “одиночные” звездные системы, как наша Солнечная система, – это только один из многих вариантов. Хотя примерно половина всех формирующихся звезд оказывается одиночными системами, добрая половина всех формирующихся звезд оказывается компонентами многозвездных систем: двойных, тройных, четверных и даже систем с более высокой кратностью. Около 35% всех звезд находятся в двойных системах, еще около 10% – в тройных системах, и примерно 4-5% – в четверных или более многозвездных системах.

Кроме того, эти звездообразующие области обычно заканчивают формированием тысяч звезд в относительно короткие сроки: за период всего в несколько десятков миллионов лет. Наиболее распространенный тип новорожденных звезд, которые мы находим, возникает внутри так называемых открытых звездных скоплений: звездных скоплений, которые формируются, когда облака газа коллапсируют внутри плоскости галактики Млечный Путь. 

Эти скопления обычно сохраняются в течение нескольких сотен миллионов лет, прежде чем взаимные гравитационные взаимодействия приводят к их распаду и приводят к тому, что звезды и звездные системы разбрасываются по всей галактике. Хотя это и является конечной судьбой этих новообразованных звезд, включая звезды с планетными системами, это имеет значительные последствия для физических процессов, происходящих, когда эти звезды (и материал, который в конечном итоге станет планетами) только начинают формироваться.

Критические эффекты углового момента

Теперь давайте соберем эти ингредиенты вместе в контексте формирования звезд и планет. Мы начнем с комка материи, который находится в процессе коллапса, и этот комок материи – из-за приливных сил, действующих на него, а также начального распределения массы, формирующей комок – будет асимметричным в трех измерениях, где одна ось самая длинная, а одна ось самая короткая, и будет обладать ненулевым количеством углового момента.

Затем, когда гравитация вызывает коллапс этого комка материи, одна ось (обычно изначально самая короткая) неизбежно коллапсирует первой, приводя к физическому явлению – и нет, это не выдумки – известному как “выпечка блинов”. Поскольку материя, формирующая звездную систему, состоит из нормальной материи (т.е. протонов, нейтронов и электронов), ось, которая коллапсирует первой, вызывает “сплющивание” материи с обеих сторон, образуя диск, в то время как две другие оси все еще относительно длинные.

Теперь добавьте присутствие углового момента, и этот диск неизбежно должен вращаться, приводя к конфигурации, которая имеет:

• центральный сгусток массы,
• окруженный диском протопланетного материала,

Это является отличительной чертой практически каждой протозвездной системы, когда-либо наблюдавшейся.

И вот тут-то начинается настоящее космическое представление! Центральный сгусток массы (предположим, что он один, хотя их может быть и несколько) становится жадным космическим пылесосом, втягивая в себя всё больше и больше материи. Его ядро раскаляется до умопомрачительных температур, превращаясь в настоящую космическую печь, из которой теплу всё труднее сбежать.

Тем временем, диск материи вокруг – этакий космический блин, известный как околозвёздный или протопланетный диск – остаётся однородным и неразличимым, словно идеальное тесто. Он продолжает кружиться вокруг центральной протозвезды, как верный спутник, не подозревая о своём будущем.

И вот наступает момент истины: температура в ядре протозвезды преодолевает отметку в 4 миллиона градусов по Кельвину. Бум! Начинаются ядерные реакции синтеза – настоящий космический фейерверк в сердце будущей звезды. Это порождает мощное излучение, которое, словно космический печник, начинает прогревать внешнюю материю изнутри.

Поначалу ранние неустойчивости в протопланетном диске стираются случайными столкновениями, как ластиком по черновику. Но время идёт, и в этом космическом супе начинают формироваться устойчивые сгустки. Они вырезают в диске причудливые узоры – спиральные рукава и пробелы, словно космические художники, создающие первый эскиз будущей планетной системы.

Эти первые мгновения могут привести к невероятно богатым планетным системам спустя миллионы и даже миллиарды лет. Представьте себе: системы, которые могут оказаться совершенно не похожими на те, что мы считаем привычными сегодня. Это как если бы вы посадили семечко, ожидая вырастить яблоню, а получили экзотическое инопланетное дерево с фруктами всех цветов радуги.

Ответ на вопрос Ньютона

Вопрос, который, казалось, требовал вмешательства божественных сил, в конце концов разрешился без малейшего намека на чудеса. Оказывается, обычная астрофизика, законы движения, закон всемирного тяготения и процесс ядерного синтеза с лихвой объясняют появление того самого “первоначального движения”, которое отправило планеты – как в нашей Солнечной системе, так и в любой другой звездной системе за пределами нашего Солнца – в их космический вальс вокруг родительских светил.

Два ключевых факта раскрывают эту космическую тайну:

1. Газовые облака, из которых рождаются звезды и звездные системы, появляются на свет асимметричными, словно космические скульптуры, вылепленные рукой невидимого творца.
2. Приливные силы, создаваемые другими близлежащими сгустками материи, словно космические кукловоды, дергают за невидимые нити формирующуюся протозвездную систему, закручивая ее в космическом танце и наделяя материю угловым моментом.

Эти факты делают появление планет практически неизбежным, словно по космическому рецепту. Планеты, если в системе достаточно тяжелых элементов для их создания (и при условии, что они не испарятся под палящими лучами своей звезды), будут существовать и кружить вокруг своих родительских светил, пока сохраняются стабильные орбиты. Ведь угловой момент – это космическая валюта, которая никуда не исчезает.

Конечно, некоторые планеты могут пережить космические катастрофы: быть выброшенными из системы, словно непослушные дети; столкнуться друг с другом в космическом бильярде; или быть поглощенными своей звездой, как Кронос, пожирающий собственных детей. Но главный вопрос Ньютона – “кто (или что) привел планеты в движение” – наконец-то получил свой окончательный ответ, раскрыв еще одну завесу космических тайн.

Читайте также: Малыши, осветившие Вселенную: разгадана тайна рассвета времен