Возможности почти безграничны, но почему же всё выстраивается в линию?
Надежда – это не убеждение в том, что всё закончится хорошо, но уверенность в наличии у происходящего смысла, вне зависимости от результата.
— Вацлав Гавел
На этой неделе мне прислали много прекрасных вопросов, и выбор у меня был большой. Но, вдогонку к двум недавним вопросам про то, почему все планеты вращаются в одну и ту же сторону и почему наша Солнечная система необычна, я выбрал вопрос от Ника Хэма, который спрашивает:
Почему все планеты вращаются примерно в одной плоскости?
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.
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.
Почему?
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.
Комментарии (48)
2morrowMan
17.08.2016 09:37+1И никакой связи с направлением движения солнечной системы в галактике?
Arch0n
17.08.2016 10:49Никакой если конечно не считать число 60,19° магическим (наклонение плоскости СС к плоскости МП)
BOOTor
17.08.2016 09:41+2Как по мне, все гораздо проще.
Поскольку все это вращается, то центробежная сила максимально действует в направлени от оси вращения в плоскости перпендикулярно оси вращения. А там где такая сил минмальна ил отсутствует вообще, там вступает в действие взаимное притяжение от гравитации.
Вот и получается борьба гравитаци с центробежной силой, что и приводит к выравниванию всего в одну плоскость.
qbertych
17.08.2016 15:24Собственно да. В статье вообще ни слова о связи оси вращения и плоскости диска. При таком раскладе диск может крутиться поперек своей оси, аки монетка на столе.
arheops
17.08.2016 16:19+1Вы путаете причину и следствие. Это все вращается именно потому, что сжалося(при сжатии угловая скорость вращения увеличевается), а не наоборот. Нет никакой центребежной силы в космосе(да и вообще ее нет, есть инерция).
GrigoryPek
17.08.2016 23:03Как оказалось по прочтении разной литературы на подобную тематику, вопрос образования планет, как и формирование протопланетного облака совсем не так прост, как кажется. Слишком много факторов соединяется для совершения одного действия. Здесь и неоднородности в облаке, его размер, момент вращения и взаимодействие с массивными объектами при пересечении траекторий. Причём, последнее, имеет максимальное значение, а не центробежная сила в облаке. В приближении, вращение в одой плоскости, есть следствие движения вращающихся масс по результирующей траектории после столкновения (взаимодействия), с последующим упорядочиванием вокруг общего центра. Я здесь как-то упоминал книгу И.О.Шкловского о звёздах, там неплохо всё описано.
Volosatik
17.08.2016 10:17+2Спасибо. Давно было интересно, почему они все в одной плоскости. Но что-то, стеснялся, что ли спросить…
Даже специально залогинился, чтобы «лайкнуть».
Alex_ME
17.08.2016 14:17+1Кстати, как интересно моделируют такие вещи. Огромное количество притягивающихся частиц или что-то из области газодинамики?
Teemon
17.08.2016 15:56+2Я как-то ради интереса моделировал подобную вещь. Взял GameMaker, создал на поле 100500 физических тел-окружностей рандомного диаметра и рандомной плотности в рандомном месте поля, для каждой частицы прописал формулу всемирного тяготения по отношению к каждой другой частице и запустил «симуляцию». Да, производительность, конечно, была ни к черту, но работало)
Было интересно наблюдать, как партиклы сбились в кучу и стали представлять собой «ядро», вокруг которого потихоньку начали летать по эллиптическим траекториям отдельные частички, которые не упали вовремя на ядро. Эдакий прототип солнечной системы))Alex_ME
17.08.2016 16:29+1Я на C++ моделировал. 2000 точек было, производительность приемлемая, но особых оптимизаций нет там.
Частицы сбились в кучу, начали рандомно летать, часть улетела насовсем.
СкринZenitchik
17.08.2016 17:06+1Прикол в том, что протопланетный диск — это не разрозненные частицы, а уже газовое облако. Длина свободного пробега значительно меньше размеров диска, т.е. не соответствует определению вакуума. Есть внутренняя вязкость, причём она зависит от температуры и ещё хрен знает от чего. Авторы моделей жалуются, что приходится численно решать приближенные уравнения, потому что точные — адски сложные.
Alex_ME
17.08.2016 17:08А не знаете, где можно почитать что-нибудь о физике этого явления и моделях, которые применяются?
Zenitchik
17.08.2016 19:31Я читал книгу Дорофеевой и Макалкина «Эволюция ранней Солнечной системы. Космохимические и физические аспекты» ISBN 5-354-00654-6
Других я не читал, поэтому на широту осведомлённости не претендую. Авторы рассказывали про свою модель, с какими трудностями приходилось столкнуться, и приводят таблицы результатов моделирования (я их особо не изучал, но наверно, их можно как-то обработать). Отмечали, что их модель — тоже далека от идеала, намерено упрощена, но предшествовавшие ей модели ещё хуже.
Это уже относительно старая книга (для научной работы — реально старая), наверно, с тех пор что-то изменилось.
qbertych
17.08.2016 19:48Вот свежий обзор. Считается все гидродинамикой с теми или иными тонкостями (например, газ и пыль можно считать двумя жидкости, а можно — одной, но с хитрыми параметрами). Еще стараются учитывать магнитные поля, нагрев, излучение, химию и так далее.
Модели с кучей частиц сейчас, разумеется, никто не считает — их ни один кластер не потянет.
Teemon
17.08.2016 18:01ну вот, более менее в принципе.
Попробуйте добавить две вещи: улетевшую частицу либо разворачивать, либо заменять «прилетевшей» и (правда я так и не сделал), например столкнувшиеся частицы заменять одной частицей большей массы (как бы слипшиеся)
Mad__Max
17.08.2016 18:55+1Как минимум нужно добавить «слипание» — частицы оказавшиеся в точке с одинаковыми координатами должны столкнуться, а не пролететь друг сквозь друга как математические точки.
В коде это примерно так можно реализовать: если 2 точки оказываются ближе какого-то минимального расстояния друг к другу — они заменяются на одну, у которой:
1. Масса равна сумме 2х исходных
2. Импульс равен сумме(векторной) 2х исходных
3. Кинетическая энергия на XX% ниже суммы 2х исходных (т.к. часть рассеивается при столкновении и переходит в другие формы — в основном в тепло). Хотя это по-идее должно автоматически соблюдаться если правильно рассчитывать п.2
Где-то давно еще на объединенном Хабре, кто-то подобную простую модель выкладывал. Если ее долго гонять с большим количеством точек — в зависимости от начальных условий получалось то что-то отдаленно похожее на протопланетный диск со звездой в центре и зачатками планет, то на галактику с ядром и периферийными звездами.
P.S.
То что сейчас есть получается похожей на модель Темной Материи, а не обычной материи. ТМ как считается не взаимодействует даже сама с собой (не считая гравитации), поэтому может при столкновения свободно проходить через себя же не «слипаясь». И именно поэтому ни звезд ни планет из нее не формируется, а получается только разряженной хаотично перемешанного гало заполняющее и окружающее галактики. Как раз похоже на то что получилось на картинке — никаких упорядоченных структур, лишь небольшой рост средней плотности к центру и снижение ее к краям.Alex_ME
17.08.2016 19:35У меня была модель на Procecessing (да-да, извращения), где было слипание, но в C++ версии до этого не дошли руки.
Стоит попробовать сделать это с CUDA, чтобы было больше частиц, может быть будет что-то интересное.Teemon
18.08.2016 10:49Все придумано до нас)))
правда, количество частиц не огромное, но тоже интересно))
http://www.nowykurier.com/toys/gravity/gravity.html
ZaEzzz
17.08.2016 22:21«Частицы» не обязательно должны слипаться — минимум есть еще зависимости от размеров, масс (плотность не забываем) и векторов скоростей, но в качестве сильно упрощенного наглядного примера сработает.
Lorien_Elf
17.08.2016 16:42В очередной раз не откажу себе в удовольствии поделиться ссылкой на MinutePhysics (англ.) www.youtube.com/watch?v=tmNXKqeUtJM
4ebriking
17.08.2016 23:30В игрушке «Osmos» — в разделе, где по орбитам — очень быстро и наглядно понимаешь, почему орбиты круговые — любое столкновение перераспределяет импульс в сторону их уравнивания. Там же, кстати, столь же наглядно понимаешь, что сход с орбиты — весьма энергозатратен, и «расчистка орбитального мусора» — обойдётся скорее всего даже дороже, чем запуски всего туда. Ну и что прорваться сквозь кольцо типа сатурновых — тоже сильно непростая задача. Вообще рекомендую эту игрушку именно как очень наглядный орбитальный симулятор (и красивый) — без формул и технических подробностей
Vampireos
17.08.2016 23:30Похоже теория от последователей тех кто настаивают, что Земля плоская. Даже не знаю как бы помягче выразиться) В общем по их словам выходит, что мы живём в 2,5 мерном мире) Сама же теория, что все планеты танцуют вокруг звезды были приняты для упрощённой модели, но почему то мало где это указывается.
Надеюсь хотя б здесь люди понимают, что все планеты не крутятся на одной плоскости вокруг Солнца. А улепётывают вслед за Солнцем по сложной спиралевидной траектории. В свою очередь наша звезда также совершает подобный вираж в масштабах галактики.Zenitchik
17.08.2016 23:42+1В какой системе координат?
Vampireos
18.08.2016 12:14x y z и относительно от центра галактики, а не Солнца
/>
https://j.gifs.com/qx4xMR.gif
https://www.youtube.com/watch?v=fcZSN4y42XA
ещё видео и другие занятные вещиhttps://www.youtube.com/watch?v=KTLlB1duAIYJeffry_Choser
18.08.2016 14:55Умозрительно можно предположить — чтобы у звезды были планеты, они должны вращаться примерно в плоскости перпендикулярной направлению движения звезды. Если планета будет иметь орбиту, как-бы обгоняя звезду с одной стороны и отставая от нее с другой, то с одной стороны- звезда может захватить планету, с другой — планета отстанет от звезды(оторвется).
Zenitchik
18.08.2016 17:05Тогда Вы — сам Капитан очевидность. Вот только для практических вычислений гелиоцентрическая система координат удобнее. Поэтому она обычно полагается по умолчанию.
yogghy
17.08.2016 23:31Хм. Стало любопытно при взгляде на две соседние статьи из рубрики: а могут ли сформироваться планеты из аккреционного диска чёрной дыры?
Arch0n
18.08.2016 02:41Аккреционного диска чёрной дыры разогрет до миллионов градусов. Из такого планеты не образуются. Разве что ЧД влетит в протопланетное облако и захватит его?
programania
17.08.2016 23:31+2Этот вопрос наглядно объясняют кольца сатурна.
При ширине 400 тыс. км в толщину они всего несколько десятков метров.
Просто невозможно длительное вращение частиц по орбитам в разных плоскостях.
Они будут сталкиваться и менять орбиты пока не займут одну плоскость.
QtRoS
18.08.2016 20:48А почему у Солнца некоторые источники света (наиболее горячие места?) соединены дугами? Магнетизм?
Немного оффтоп, но ответ на изначальный вопрос знал, поэтому внимание привлекло другое.Zenitchik
18.08.2016 22:13Какими такими «дугами»? Вы про протуберанцы что ли? Так они как бы не статичны, а прут в верх с бешеной скоростью, отрываются и улетают (т.е. вещество их составляющее улетает) А выталкивает и разгоняет их — да, магнитное поле.
Arch0n
18.08.2016 22:19В отношении Солнца фраза про источники света немного коряво звучит :) Лучше говорить «яркие пятна».
Да магнетизм. Ионизированная плазма течет по силовым линиям магнитного поля.
Bellicus
Особенно Уран, с его наклоном оси в 98° «достаточно хорошо выровнены по отношению к оси вращения Солнца».Ну и плутоиды, с отклонениями от эклиптики от 17° у Плутона, до 43° у Эриды, как-то не вписываются в эту картину мира.
devlind
Такое ощущение иногда, что есть люди, которые бегут писать коммент едва прочитав заголовок.
Там всё написано, что в облаке Оорта и поясе Койпера так и есть. Речь идёт про ПЛАНЕТЫ (которые очень тяжелые), а Плутон — не планета — он меньше Луны в 3 раза и легче в 6. Госпади.
К тому же он мог быть спокойно захвачен нашей системой, нет никаких данных о его происхождении. Всё это относится и к Эриде.
Bellicus
А мог быть и не захвачен. Но, хорошо. С некоторыми допущениями, считаем, что убедили. Теперь расскажите про ось Урана, и я капитулирую.
fokodan
Основная версия — его хорошенько приложило на стадии формирования другой (прото)планетой.
Arch0n
Наклон орбиты Урана 1 градус. А вот оси 98, у Венеры вообще на 177 градусов, но это никак на влияет на то утверждение что они вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости.
А что касается разного «мусора» на задворках Солнечной системы то это как раз понятно что они по хаотичным орбитам кружатся. Это еще одно доказательство что Плутон не планета.
Bellicus
Меня смутил вот этот кусок.
> 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.
Как я понял, сейчас, здесь речь о наклоне оси Солнца к пресловутой эклиптике. Но, зачем было уточнение про [оси] орбит планет.
Zenitchik
А что не так с осями орбит планет? У любого вращательного движения в трёхмерном пространстве есть ось.
geisha
Много комментариев, непонимания и самой статьи но речь всего-лишь об этом: закон сохранения момента импульса. Всё. Ось вращения звезды рано или поздно будет перпендикулярна плоскостям вращения всех планет. Наличие планет объясняется большим моментом при небольшой кинетической энергии. Если бы планет не было, солнцу пришлось бы вращаться вокруг своей оси быстрее, что энергетически невыгодно.
Zenitchik
>солнцу пришлось бы вращаться вокруг своей оси быстрее, что энергетически невыгодно.
Почему энергетически невыгодно?
geisha
E = L^2 / (2*I), I ~ m r^2
E — энергия, L — момент импульса, I — момент инерции, m — масса, r — расстояние до массы. Планеты довольно сильно добавляют к I ибо расстояние от них до центра вращения велико. Если убираем планеты, то уменьшаем I и увеличиваем E.
Бонус: у систем с двойной звездой редко когда бывают планеты, ибо двойные звезды имеют большой I: они вращаются не вокруг своей оси а вокруг общей. Это все что я помню из курса астрономии, спасибо за внимание.
Zenitchik
Т.е. Вы имеете в виду, что образование планет энергетически выгодно при большом моменте импульса?
geisha
Я бы сказал, что да.
Zenitchik
Да, реально сходится. Протозвезде с протопланетным облаком энергетически выгодно перераспределить момент импульса в пользу протопланетного диска (он образуется в следствие неодинаковой скорости акреции на протозвезду районов облака с разной трансверсальной скоростью), есть там такой процесс, что вещество, значит, падает на протозвезду, но за счёт внутреннего трения в диске, внешние его области ускоряются за счёт внутренних, с ненулевым шансом набрать Кеплерову круговую скорость.
А диску, начиная с некоторой массы (точнее, отношения массы диска к массе протозвезды), становится энергетически выгодно преобразоваться в планеты. Причём, наиболее массивные диски образуют единственную планету, а системы типа Солнечной должны образовываться из дисков умеренной массы.
Dark_Duck
Ось вращения планеты и орбита планеты — это две большие разницы. Учите матчасть.
zerocooolx
А тут ещё надо посмотреть, «наши» ли они, объекты из пояса Койпера)