Как из облака пыли возникли планеты?

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.

1. всё в одной плоскости и в одну сторону — отсюда и порядок планет
2. облако едва вращается
3. сжимается и раскручивается
4. сплющивается в диск
5. в центре загорается звезда

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:

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

модель

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.

1. момент импульса сохраняется
2. большая орбита — медленно
3. радиус вдвое меньше — скорость вдвое больше, обороты вчетверо чаще

Кто открыл. Мысль, что Солнце и планеты сгустились из одного вращающегося облака, высказал Иммануил Кант в 1755 году в «Всеобщей естественной истории и теории неба» — анонимно, потому что издатель обанкротился, а книга сгорела на складе. Пьер-Симон Лаплас в 1796 году пришёл к тому же независимо и дал механику: сжимающееся облако раскручивается и сбрасывает кольца, из которых собираются планеты. Гипотеза Канта — Лапласа продержалась век, пока не упёрлась в момент импульса, и в XX веке её собрали заново на других основаниях: Отто Шмидт в 1944 году предложил, что планеты выросли из холодного облака пыли и мелких тел, а его ученик Виктор Сафронов в 1969 году построил количественную теорию слипания планетезималей, которую западные астрономы переняли в 1970-х — так что современная картина рождения планет в основе своей советская¹.

Сколько это в числах Сжатие облака в диск — не метафора, а следствие сохранения момента импульса $L = m v r$. Протосолнечное облако имело поперечник порядка светового года ($10^{16}$ м) и вращалось медленно, на полный оборот уходили миллионы лет. Сегодняшнее Солнце — шар радиусом $7\cdot 10^{8}$ м. Радиус упал в десятки миллионов раз, и во столько же раз должна была вырасти скорость вращения.

Вот здесь у теории обнаруживается её главная трудность. Если бы момент импульса сохранялся полностью, Солнце вращалось бы с периодом порядка часов и давно разлетелось бы центробежными силами. В действительности оно делает оборот за 25 суток и несёт лишь около 2 % момента импульса всей системы — остальные 98 % приходятся на планеты, прежде всего на Юпитер, хотя в них меньше 0,2 % массы. Куда девался момент вращения Солнца — самостоятельный вопрос, ответ на который ищут в магнитном сцеплении молодой звезды с окружающим диском и в оттоке вещества звёздным ветром.

Что предполагается

1. Облако изолировано: обмена веществом и моментом с окружающей средой нет. Реальные звёзды рождаются скоплениями, и соседи влияют друг на друга.
2. Вещество считается сплошной средой — на стадии, когда из пыли уже собрались тела километрового размера, это перестаёт быть верным, и дальше работает механика столкновений.
3. Планеты образуются там, где остаются. Современные расчёты показывают миграцию: орбиты гигантов заметно смещались, и нынешнее расположение не равно месту рождения.

Чем подтверждается — и что осталось спорным Главный аргумент в пользу гипотезы Канта—Лапласа появился только в XX веке: протопланетные диски вокруг молодых звёзд удалось увидеть напрямую — сначала в инфракрасном излучении, затем в деталях, на снимках телескопа ALMA, где видны концентрические щели, прочерченные формирующимися планетами.

Спорным остаётся способ сборки самих планет-гигантов. По одной версии, сначала вырастает твёрдое ядро в 5–10 масс Земли, которое затем набирает газ; по другой, диск сам распадается на сгустки из-за гравитационной неустойчивости, минуя стадию ядра. Первая объясняет состав Юпитера, вторая — быстрое появление гигантов на больших расстояниях, где по первой схеме ядро не успело бы вырасти за время жизни диска — порядка нескольких миллионов лет.

Открытый вопрос Хотя теория успешно объясняет основные этапы рождения Солнечной системы, некоторые аспекты всё ещё вызывают споры среди учёных. Один из них — как именно мельчайшие пылинки смогли соединиться в тела километрового размера, необходимые для последующего роста планетезималей. Ещё одна интригующая проблема заключается в разнообразии наблюдаемых экзопланетарных систем: почему у одних звёзд много массивных планет, тогда как другие практически лишены спутников? Существует ли универсальный закон, который мог бы объяснить такие различия между системами?