Какая картинка всплывает перед глазами, когда мы представляем солнечную систему? Ровный диск из планет, обращающихся вокруг Солнца в том же направлении, что и Солнце вокруг своей оси.
Эта картинка настолько идеальна, что невольно возникает вопрос: действительно ли все так просто? Как и почему в трехмерном пространстве образовалась практически идеально плоская планетная система с единым направлением вращения? И можно ли называть Солнечную систему в этом плане особенной?
Сейчас Солнечная система действительно выглядит примерно так, как ее изображают на схемах: в центре – Солнце, а вокруг – ряд планет, орбиты которых лежат в одной плоскости (Почти. Об этом чуть позже). Но, как известно, так было не всегда. Для того, чтобы объяснить нынешнюю геометрию Солнечной системы, придется обратиться к процессам ее формирования.
Солнечная система образовалась около 4.6 млрд лет назад из облака космической пыли и газа. Изначально облако, удерживаемое взаимными силами гравитации частиц, имело произвольную форму, предположительно близкую к шару, а его содержимое было примерно равномерно распределено по всем трем плоскостям пространства. Частицы пыли и газа в облаке хаотично двигались и сталкивались друг с другом, не имея упорядоченного направления. И все-таки огромное облако «эволюционировало» к строгому виду системы, которую мы имеем сейчас. Как это произошло?
Во-первых, дело в законе сохранения момента импульса. Как было сказано выше, частицы пыли и газа постоянно находятся в хаотическом движении. Однако чисто математически крайне маловероятно, что общий момент импульса облака будет нулевым. А значит есть некоторое направление, в котором частиц движется больше, чем в любом другом. Общий момент импульса, представляет собой векторную сумму всех моментов импульсов отдельных частиц, и задает направление и скорость вращения замкнутой системы вокруг ее центра масс.
В процессе развития протопланетного диска направление и скорость могли изменяться за счет влияния внешних сил и факторов: это могло быть влияние гравитационной силы близлежащих звездных систем или попадание в систему инородных объектов. Но сейчас для нас это не имеет значения, поэтому влиянием внешних сил можно пренебречь.
При движении «вверх» и «вниз» относительно общего направления вращения системы частицы пыли и газа сталкиваются: импульсы частиц движущихся во всех направлениях кроме основного со временем нивелируются и остаются только частицы движущиеся в том самом основном направлении. То есть общее движение частиц в «вертикальной» плоскости компенсируется и стремится к нулю. При этом устанавливается такое распределение частиц в пространстве и по скоростям, при котором вероятность столкновений наименьшая. Такое состояние соответствует движению в плоскости по круговым орбитам.
Этому процессу помогает центробежная сила, «раскручивающая» протопланетное облако Солнечной системы в тонкий диск. Этот процесс не противоречит вышесказанному, а лишь дополняет его. Итогом станет «сплющивание» облака без изменения скорости и направления вращения системы.
Pinterest.com
И да, замкнутая система – научная модель. Ни одну систему в нашей Вселенной нельзя называть абсолютно замкнутой: каждое тело, имеющее массу или скорость, в той или иной степени влияет на все другие тела. Вследствие взаимного влияния сил гравитации, угол наклона орбит планет незначительно отклоняется от плоскости эклиптики, но в целом этот разброс невелик.
Можно ли считать плоскую солнечную систему особенной? Однозначно нет. Точно такую картину мы наблюдаем буквально в любой другой звёздной системе, что говорит о том, что везде при формировании звёзд и планетных систем происходили схожие процессы.
Подведем краткий итог:
Почему все-таки все планеты находятся в одной плоскости? Планеты формируются из газопылевого облака, коллапсирующего в кратчайшем направлении. Затем частицы «склеиваются» между собой, после чего сжимаются по направлению к центру. Но вместо того, чтобы упасть на уже сколлапсировавшуюся звезду, они начинают вращаться вокруг нее. Как итог, под действием сил гравитации и центробежной силы, в соответствии с законом сохранения момента импульса, образуются космические тела и планеты, которые продолжают вращаться в той же плоскости.