Рождение Солнечной системы

Кёнигсберг — город Иммануила Канта: здесь он прожил всю жизнь и здесь похоронен у стен собора. Кант знаменит философией, но в 1755 году он замахнулся и на космос — и угадал, как устроено рождение Солнечной системы, за полтора века до телескопов, способных это проверить.

Его догадка: Солнце и планеты родились из единого вращающегося газопылевого облака. Поначалу облако разреженное и холодное, но его удерживает от расплывания собственное тяготение — каждая частица притягивает все остальные. Когда тяготение пересиливает тепловое давление газа, облако начинает падать само на себя, сжимается и разогревается в центре — там потом и вспыхнет Солнце, а из остатков соберутся планеты.

В этой картине два чуда механики: почему облако, сжимаясь, раскручивается всё быстрее, и почему оно становится плоским диском, а не шаром. Оба объясняет один закон.

Облако всегда вращается хоть чуть-чуть. А у вращения есть сохраняющаяся величина — момент импульса:

$$ L = m v r = \text{const} $$

Он не меняется, пока на систему не действуют внешние закрутки. Значит, если радиус $r$ уменьшается, скорость $v$ обязана расти — иначе произведение не останется прежним. Это та самая фигуристка, что прижимает руки к телу и начинает вертеться быстрее. Облако, падая к центру, сжимается — и раскручивается тем сильнее, чем плотнее становится. Заодно вращение задаёт всей будущей системе единое направление: оттого планеты и обращаются вокруг Солнца в одну сторону¹.

А плоским облако делает соперничество двух движений. Вдоль оси вращения частицам ничто не мешает падать к центру — и облако быстро сплющивается сверху и снизу. А в плоскости экватора падению мешает само вращение: центробежный эффект удерживает вещество от сваливания внутрь. Сжатие идёт легко по оси и трудно по экватору — и шар неизбежно превращается в диск.

Где работает тот же закон?

Сохранение момента импульса крутит всё, что сжимается во вращении: фигуристку и прыгуна в воду, закручивающийся в воронку циклон, кольца Сатурна, спиральные галактики. Одна и та же $L = mvr$ — от пируэта на льду до рождения звёзд.

Догадка хороша, пока её можно проверить. Канту пришлось ждать проверки 250 лет. Сначала математика уточнила, когда облако вообще начнёт сжиматься: это критерий Джинса — коллапс идёт, если собственное тяготение облака пересиливает тепловое давление газа, то есть когда облако достаточно массивно, плотно и холодно. Маленькое тёплое облачко просто расплывётся, большое холодное — упадёт само в себя¹.

А потом пришли телескопы. Вокруг молодых звёзд астрономы прямо увидели то, что Кант мог только вообразить: плоские протопланетные диски из газа и пыли, в которых рождаются планеты. Снимки таких дисков (например, у звезды HL Tauri) показывают и сам диск, и тёмные кольца-щели, выметенные молодыми планетами, — ровно ту картину сплющенного вращающегося облака.

Открытый вопрос

Общую схему Кант угадал, но детали до сих пор трудны: как именно в диске пылинки слипаются в километровые тела, почему у одних звёзд планет много, а у других нет, и насколько наша система типична. Рождение планет наблюдают прямо сейчас — и каждый новый диск уточняет догадку, сделанную в Кёнигсберге.