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:

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

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.

Откуда мы знаем, что Кант был прав? Идея Канта была гениальной догадкой, но лишь спустя столетия наука смогла подтвердить её наблюдениями и расчётами. Рассмотрим подробнее механизм образования Солнечной системы и доказательства того, что Кант действительно оказался прав.

Почему облако начало сжиматься? Газопылевое облако, из которого родилась Солнечная система, было изначально очень большим и разрежённым. Его масса составляла примерно массу современного Солнца ($M_{\odot}$) , а диаметр порядка нескольких световых лет. Для начала сжатия необходимо, чтобы сила притяжения превзошла внутреннее тепловое давление газа. Это условие определяется критическим размером области, известным как критерий Джинса. Согласно этому критерию, чем выше температура и ниже плотность, тем крупнее должна быть область, способная сжаться под действием собственной гравитации.

Только накопив достаточную массу и плотность, облако смогло преодолеть сопротивление внутреннего давления и начать коллапсировать.

Какие процессы шли дальше?

После достижения необходимой плотности облако быстро сократилось в размерах. В процессе сжатия выделялось огромное количество тепловой энергии, которая привела к резкому повышению температуры центральной части облака. Когда температура достигла значений, необходимых для запуска термоядерных реакций, начался синтез водорода в гелий — таким образом возникло наше Солнце. Остальная материя продолжила движение согласно законам сохранения энергии и углового момента, постепенно образуя плоский протопланетный диск вокруг молодого Солнца.

Наблюдения подтверждают теорию Сегодня астрономы могут непосредственно наблюдать аналогичные процессы в других частях Вселенной. Современные телескопы фиксируют молодые звёзды, окружённые плотными пылевыми дисками, где формируются будущие планеты. Ярким примером является звезда HL Tauri, у которой обнаружены чёткие кольца и щели в протопланетном диске, свидетельствующие о зарождении планет. Такие изображения наглядно демонстрируют реальность процессов, впервые предложенных Кантом.

Количественные характеристики процесса Согласно современным оценкам, масса исходного протозвёздного облака нашей системы составляла приблизительно одну солнечную массу ($M_{\odot}$), а его первоначальный размер составлял около одного парсека (примерно три световых года). Формирование Солнца заняло примерно от десяти миллионов до ста миллионов лет. Плотность облака перед началом коллапса была чрезвычайно низкой, порядка $10^{-2}\text{–}10^{-3}$ частиц на кубический сантиметр.

Химический состав и распределение элементов Облако состояло главным образом из водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва. Более тяжёлые элементы образовались в результате ядерных реакций внутри предшествующих поколений звёзд и затем распространились в космосе. Именно эти элементы послужили строительным материалом для твёрдых планет земного типа.

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?