Как планеты Солнечной системы вращаются почти в одной плоскости
Наблюдая за небом, древние астрономы заметили: планеты никогда не уходят далеко от эклиптики — той самой линии, по которой Солнце движется в течение года. Конечно, это выравнивание не идеально — иначе Венера и Меркурий регулярно проходили бы по диску Солнца, а более близкие планеты часто затмевали бы дальние. Тем не менее отклонение никогда не превышает нескольких градусов.
После того как Коперник низвел Землю из центра Вселенной до положения рядовой планеты, стало понятно: это не оптическая иллюзия. Орбиты шести известных тогда планет укладывались в промежуток всего 7° (а если не считать Меркурий — и того меньше). Это не могло быть простым совпадением. Уран и Нептун, открытые позже, прекрасно вписались в эту же плоскость. А вот Плутон — нет. Раз планеты Солнечной системы предпочитают держаться ровного строя, у этого должна быть причина.
Почему ученые связали общую плоскость орбит с Юпитером
Сначала ученые предположили, что сильная гравитация Юпитера действует как пастушья собака: любая планета или астероид, рискнувший выйти из общей плоскости, чувствует постоянное притяжение газового гиганта, возвращающее его на место.
Но у этой теории нашлись слабые места. Во-первых, некоторые астероиды все-таки двигаются по заметно наклонным орбитам — значит, бросить вызов Юпитеру можно. Во-вторых, в далеких краях, где обитают кометы, власть Юпитера слабеет, но Нептун почему-то все равно держится строя.
Кроме того, выяснилось, что общая плоскость орбит наклонена всего на 6° к экватору Солнца. А большинство лун и колец газовых гигантов вращаются в экваториальной плоскости своих планет. Все это наводило на мысль: причина не во внешнем влиянии, а в общем происхождении.
Как плоскость орбит связана с историей зарождения планет
Астрономы начали подозревать, что такое сильное выравнивание отражает общее рождение: планеты сформировались из диска газа и пыли, вращавшегося вокруг молодого Солнца. Родившись из этого диска, они унаследовали его плоскость. Современные телескопы подтвердили теорию. Вокруг многих молодых звезд видны протопланетные диски, а в некоторых уже заметны пустоты, очищенные новорожденными планетами.
Но откуда берется сам диск? Звезды и планеты рождаются из гигантских газовых облаков — в основном водорода с примесью более тяжелых элементов, оставшихся от взрывов сверхновых. Изначально эти облака огромны, а молекулы в них движутся хаотично. Но у любого облака есть небольшой суммарный момент импульса, то есть в среднем оно все-таки вращается, пусть и очень медленно. Когда облако начинает сжиматься под действием собственной гравитации, вращение ускоряется. А чем быстрее вращается объект, тем сильнее он сплющивается.
Когда звезды и планеты формируются, они наследуют момент импульса: звезда выражает его через собственное вращение, а планеты — через движение по орбитам. Аналогичный процесс в меньшем масштабе приводит к образованию лун вокруг планет-гигантов.
Какие есть исключения
Большинство планетных систем демонстрируют схожее выравнивание. Космические телескопы Kepler и TESS фиксируют регулярные провалы яркости звезд, которые возникают, когда планета проходит по диску своей звезды. Часто таких планет оказывается несколько. Самый известный пример — система TRAPPIST-1, где семь планет вращаются в идеальной плоскости с расхождением всего 0,1°. Они также тесно выровнены с экватором своей звезды.
Несомненно, во многих системах есть планеты, не лежащие в этой плоскости. Однако, если бы они существовали у хорошо изученных звезд, мы бы заметили их по гравитационному влиянию на «правильные» планеты. Раз мы этого не видим, значит, близкое выравнивание — это норма. Тем не менее всегда находятся системы, которые нарушают закономерности и заставляют ученых искать новые объяснения.
Один из примеров — система 2M1510. Это пара коричневых карликов, вокруг которых вращается планета. Ее орбита расположена перпендикулярно плоскости одного из карликов.
Другая аномалия — K2-290: ее главная звезда вращается почти в обратную сторону по сравнению со своими планетами. Считается, что виной всему — гравитационное вмешательство далекой звезды-компаньона или пролетающего мимо массивного объекта.
Возможно, самая запутанная из всех известных аномалий — HD3167. У одной и той же звезды одна планета имеет обычную орбиту, выровненную с экватором звезды, другая проходит над полюсами, а орбита третьей пока не определена. Все три планеты находятся очень близко к своей звезде. В таких условиях гравитация звезды обычно быстро выравнивает орбиты, делая их почти круговыми и лежащими в одной плоскости. Но здесь этого не произошло — и объяснить это особенно трудно.
По материалам IFLScience.
