Как эволюционируют планетные системы: вихри, диски и космическая пыль

8 февраля 12:00

145

12 минут на чтение

Когда в XVII веке стало ясно, что архаичные представления о ближайших небесных телах не соответствуют наблюдениям через телескопы, европейские учёные решились пересмотреть религиозные доктрины, согласно которым Вселенная была создана волею Творца. Революционными в этом плане стали физические законы, открытые и сформулированные Исааком Ньютоном в 1687 году: оказалось, что они позволяют описать движение и взаимодействие тел в пространстве. Если принять, что законы не меняются со временем, то мы можем на основе сведений о нынешнем состоянии Солнечной системы с высокой степенью достоверности установить, какой она была в прошлом и какой станет в будущем. На этом принципе зиждется современная космогония — наука о происхождении мира.

Небулярная гипотеза

Звезда в центре протопланетного диска в представлении художника

NASA / JPL-Caltech

Самые ранние попытки найти естественно-научный ответ на вопрос о том, как появились Солнце, Земля и вся Вселенная, можно найти у Демокрита, Эпикура, Гераклита и других древнегреческих философов. Наблюдая за природой и делая выводы, часто с опорой на интуитивные озарения, они пришли к выводу, что миры рождаются и гибнут из-за того, что материя развивается согласно присущим ей законам движения. Чтобы создать правильную модель образования небесных тел, философам, конечно, не хватало знаний — прежде всего астрономических.

Одним из первых среди учёных Нового времени идеи античных материалистов попытался развить французский математик Рене Декарт. В своём труде «Первоначала философии» (Principia Philosophiae, 1644) он познакомил публику с новой физической системой мира. Признавая церковный геоцентризм, он утверждал, что Земля всё-таки летит сквозь пространство. В начале творения мир представлял собой хаос из мельчайших частиц — «смешение всех частей универсума». Однако под действием физических законов — определённых, разумеется, Богом — частицы пришли к нынешнему порядку и пребывают в вихреобразном движении, из которого формируется всё сущее. В центре одного из вихрей находится Солнце, а Земля движется вокруг него внутри собственного вихря, относительно которого остаётся неподвижной. Таким образом гелиоцентрическая и геоцентрическая система согласуются друг с другом, а астрономические наблюдения перестают противоречить христианским догматам.

Математик распространил этот принцип на звёзды. Он показал, что, возможно, существуют другие планетные системы внутри своих вихрей, которые из-за удалённости мы не способны различить. Гибкая позиция Декарта не защитила его от нападок церкви: многие его работы были запрещены, а распространение теории вихрей не поощрялось.

Картина мира по Декарту: Вселенная, заполненная огромным количеством вихрей

Всё же под давлением астрономии взгляды менялись, и с какого-то момента стало даже модным обсуждать гипотезы, вступающие в противоречие с каноном. Исаак Ньютон, открывший «классические» законы физики, в космогонических взглядах продвинулся не дальше Декарта, хотя прямо опровергал его теорию. В ньютоновской модели мира частицы действуют друг на друга через пустоту не прямо, как в модели француза, а опосредованно — через силу взаимного притяжения.

При этом он полагал, что Бог не только сотворил все небесные тела, расположив их согласно разумному замыслу, но и продолжает следить за развитием миров. Например, он считал, что каждой планетной системе предопределён яркий и жестокий финал: когда истекает положенный срок, Бог направляет комету на обречённую звезду, в результате чего образуется сверхновая, уничтожающая ближайшие миры со всеми обитателями.

Знакомый с воззрениями предшественников, немецкий философ Иммануил Кант тем не менее отверг их в пользу более обоснованной гипотезы, названной позднее небулярной (nebula — «туманность»). В трактате «Всеобщая естественная история и теория неба» (Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels, 1755) он суммировал результаты новейших астрономических наблюдений и пришёл к выводу, что во Вселенной множество миров, подобных нашему, и они непрерывно движутся друг относительно друга. При этом он прозорливо предположил, что светящиеся туманности в небе могут быть «системами миров» — другими «млечными путями», состоящими из множества звёзд.

Пылевые диски, окружающие молодые звёзды

ESO/H. Avenhaus [CC BY 4.0]

Обсуждая далее Солнечную систему, Кант указывал на её необычные особенности. Разделённые огромными расстояниями планеты расположены и движутся таким образом, будто они составляют части единого целого: почти круговая форма орбит, лежащих в одной плоскости, общее направление обращения вокруг Солнца. Аналогичные закономерности есть и у многих спутников планет. Однако такая упорядоченность не может возникнуть под действием законов небесной механики. Следовательно, в прошлом материя, из которой состоят современные планеты, не скапливалась в виде изолированных тел, а была рассеяна по пространству Солнечной системы.

Постепенно под действием силы взаимного притяжения основная доля вещества собралась в крупное центральное тело — Солнце, а из остатка образовалось облако частиц. Их пути пересекались под всевозможными углами, что привело к «согласованию» движения, в результате чего сформировался тонкий и почти плоский рой, вращающийся вокруг Солнца. Сблизившиеся частицы этого роя слипались, образуя «зародыши» планет. Увеличиваясь, они начинали притягивать далёкие частицы, обогащались веществом, всё больше разрастались и постепенно превратились в планеты.

В 1761 году немецкий философ-математик Иоганн Ламберт выпустил «Космологические письма об устройстве мироздания» (Kosmologische Briefe über die Einrichtung des Weltbaues), в которых описал очень похожую модель формирования Солнечной системы. Он вывел её независимо от Канта, что указывает на общее стремление передовых людей того времени создать космогоническую теорию, объясняющую новейшие открытия.

Лаплас считал, что кометы — это клочки межзвездного космического вещества, странствующие от одного светила к другому

Philipp Salzgeber [CC BY-SA 2.0]

Однако общепринятой небулярная гипотеза стала после выхода книги французского математика, физика и мыслителя Пьер-Симона де Лапласа «Изложение системы мира» (Exposition du système du monde, 1796). Позднее она легла в основу его фундаментального пятитомного «Трактата о небесной механике» (Traité de mécanique céleste, 1799–1825). Учёный поставил перед собой конкретную цель — создать математическую теорию Солнечной системы, которая позволила бы определять положение небесных тел с помощью вычислений, не прибегая к таблицам, составленным по итогам многолетних наблюдений.

Огромный труд завершился успехом, и книги Лапласа, неоднократно переиздававшиеся, стали настольными для нескольких поколений астрономов. Разумеется, он не мог обойти вниманием и космогонию. В его модели Солнечная система образовалась из разрежённой и уплотнённой к центру горячей газовой туманности (протосолнца). Она медленно вращалась вокруг своей оси, постепенно излучала свет и тепло и из-за этого охлаждалась и сжималась. Согласно законам механики, её вращение должно было ускоряться. Вращаясь всё быстрее, туманность всё больше сплющивалась, пока наконец на экваторе центробежная сила не сравнялась с силой притяжения частиц к центральному уплотнению. В результате от туманности отделилось одно газовое кольцо, затем второе, третье… Кольца разрывались, распадались на комки, и из них образовывались планеты, а огромный центральный сгусток превратился в Солнце.

Молодые протопланеты представляли собой шарообразные комки раскалённого газа. Они тоже вращались, и процесс повторялся в меньшем масштабе, в результате чего рождались спутники.

Гипотеза планетезималей

В отличие от всех остальных планет Солнечной системы, Уран вращается вокруг своей оси, как бы лежа на боку

JPL / Lawrence Sromovsky, University of Wisconsin-Madison / W. W. Keck Observatory

Космогоническая модель, предложенная Кантом и развитая Лапласом, обрела популярность ещё и потому, что давала надежду в обозримом будущем найти планеты у соседних звёзд. Ведь если везде во Вселенной шли и идут похожие процессы, то у каждого светила должна быть своя система, сформировавшаяся из газовой туманности.

Однако вскоре появились и другие модели: астрономия не стояла на месте и постоянно подбрасывала учёным сюрпризы. Прежде всего, были открыты астероиды — миниатюрные планеты между орбитами Марса и Юпитера. Затем учёные с удивлением обнаружили, что Венера вращается вокруг оси в сторону, противоположную вращению других планет, а ось Урана вообще «лежит» на боку. Вызывал вопросы и гипотетический процесс формирования планет из отрывающихся по очереди колец.

В 1884 году французский астроном Эрве Фай попытался согласовать небулярную гипотезу с «аномалиями» Солнечной системы. В книге «Происхождение мира» (Sur l’origine du monde) он предложил отказаться от идеи, что Солнце сразу сформировалось как центральное тело. Согласно модели Фая, изначально Вселенная была наполнена тёмным и холодным веществом. Случайным образом в ней возникали «точки конденсации», которые начинали медленно притягиваться друг к другу, создавая вихревое движение и нагреваясь при взаимодействии с окружающей средой. Накопление вещества порождало там и тут горячие светила. Чаще всего в результате этих процессов возникали двойные звёзды, но время от времени появлялось сразу несколько небольших тел, чьей массы не хватало для того, чтобы «зажглась» звезда. Именно так и образовалась Солнечная система: планеты сформировались в ней раньше, в своих локальных зонах пространства, и были притянуты к светилу издалека.

Гипотеза о «бродячих» планетах не объясняла, почему, приходя из космоса с разных сторон, они занимали орбиты в одной плоскости

NASA / JPL

Похожую теорию выдвинул американец Томас Си, написавший двухтомный труд «Исследования по эволюции звёздных систем» (Researches on the Evolution of the Stellar Systems, 1896–1910). Он тоже полагал, что Солнечная система с большим количеством разнообразных планет — это исключение, а не обычное дело во Вселенной. Все небесные тела формируются отдельно друг от друга, при этом звёзды на раннем этапе своей эволюции обладают обширной разрежённой «атмосферой». Пролетая мимо, планета входит в это облако и замедляется, пока не занимает стабильную орбиту. Такими же «блуждающими» телами были и спутники, включая Луну. Модель Си объясняла многие странности Солнечной системы, но не отвечала на вопрос, почему планеты движутся в одной плоскости. Ведь если космические «бродяги» могли войти в систему с любой стороны, они бы занимали орбиты с разными наклонениями.

В 1905 году американские учёные, геолог Томас Чемберлин и астроном Форест Молтон, предложили ещё более радикальную гипотезу. Они утверждали, что некогда вблизи Солнца пролетела звезда. В результате её гравитационного воздействия с поверхности нашего светила поднялось множество газовых струй различных размеров. Часть вещества упала обратно, а часть рассеялась, образовав газовую туманность. Её массы быстро охладились и превратились в пыль, которая обращалась вокруг Солнца по разнообразным орбитам. Сталкиваясь и притягивая друг друга, частицы объединялись, а самые крупные стали центрами «накопления» вещества — планетезималями. Постепенно из некоторых образовались крупные планеты, а другие так и остались относительно небольшими телами — астероидами и метеороидами. В процессе соударения с пылью планетезимали меняли орбиты, которые в результате приобрели почти круговую форму.

Планетезималь-кьюбивано (объект из пояса Койпера) 2014 MU69

NASA / Johns Hopkins

Модель выглядела очень убедительной, и научное сообщество её приняло. Однако если Чемберлин и Молтон правы, то в Галактике мало планет: при тесном сближении звёзды скорее столкнутся друг другом, чем породят извержения газовых струй. Только в 1930-е годы усилиями таких астрономов, как Фридрих Нёлке, Генри Рассел и Лайман Спитцер, эта гипотеза была отброшена, а небулярная, наоборот, возродилась в обновлённом виде с учётом идеи планетезималей.

Затем появилась теория Большого взрыва, которая отвергла бытовавшее представление о вечности и бесконечности Вселенной, а также накопились данные об эволюции звёзд и газопылевых облаков, состоящих из частиц межзвёздного вещества. Всё это заставило учёных по-новому взглянуть на вопросы космогонии.

В 1944 году советский математик Отто Шмидт разработал модель, согласно которой миллиарды лет назад одинокое Солнце встретило на своём пути большую газопылевую туманность. Таких скоплений довольно много в Галактике, и встреча с ними — не столь редкое явление, как сближение звёзд. Солнце захватило часть туманности, а избыток относительной скорости светила придал диффузной материи момент количества движения, не связанный с его моментом вращения. В результате облако вокруг звезды начало вращаться, сжиматься и сплющиваться. Отдельные частицы стали сливаться друг с другом, образуя планетезимали.

Околозвёздный диск вокруг молодой звезды в представлении художника

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser [CC BY 4.0]

Модель Шмидта учитывала многие современные открытия, но астрономы очень быстро с помощью расчётов показали, что орбитальные движения звёзд и газопылевых туманностей вокруг центра Галактики различаются настолько, что они просто не успевают взаимодействовать, и захват достаточно плотного облака невозможен.

Американский астроном Джерард Койпер начал разрабатывать свою космогоническую теорию в 1949 году. Он предположил, что звёзды формируются внутри самих газопылевых облаков в результате того, что вещество локально сжимается под внешним воздействием — например, взрыва близкой сверхновой. При этом вокруг новорождённой звезды долгое время сохраняется достаточно много плотного вещества. Двигаясь сквозь космос, это вещество деформируется и превращается в диск радиусом в несколько десятков астрономических единиц (а. е.). В нём образуются вихри, а внутри вихрей сразу начинают образовываться большие и рыхлые протопланеты. Койпер учёл и давление солнечного ветра, который должен «сдувать» самую лёгкую часть массы протопланет к границам системы. Это объясняет, почему поблизости от Солнца находятся небольшие твёрдые планеты, а на внешних орбитах — газовые гиганты. Кольца Сатурна Койпер считал остатками местного диска, а спутники, по его мнению, формировались вместе со своими планетами.

Инкубатор планет

Туманность Ориона — настоящий инкубатор планетных систем: здесь обнаружено больше ста звёзд с проплидами

NASA, ESA, M. Robberto (STScI / ESA) HST Orion Treasury Project Team

В отличие от других, теорию Койпера можно было проверить прямыми наблюдениями. В этой связи большой интерес астрономов вызывала туманность Ориона (М 42) — огромное светящееся газопылевое облако радиусом 12 световых лет в 1350 световых годах от нас. Ещё в 1789 году знаменитый английский астроном Уильям Гершель предположил, что она состоит из «материала будущих солнц». В 1954 году американский астроном Джордж Хербиг сопоставил старые фотоснимки туманности с новыми и подтвердил эту гипотезу, обнаружив внутри М 42 совсем юные звёзды. Впрочем, наземные астрономические инструменты не позволяли разглядеть детали их окружения, чтобы делать какие-то выводы о существовании протопланетных дисков. Проблему решил космический телескоп «Хаббл», запущенный на орбиту 24 апреля 1990 года.

Аппарат начал наблюдения за туманностью Ориона в 1993 году и продолжал много лет, но уже на самых первых снимках учёные увидели шесть звёзд с протопланетными дисками. Эти диски назвали проплидами (proplyd, от ionized protoplanetary disk). Позднее были открыты ещё полтораста таких же объектов на разных стадиях формирования.

Обнаруженные проплиды можно разделить на два типа: одни светятся вокруг своих звёзд, другие выглядят как тёмные формации из-за более холодной пыли диска. Далеко не все проплиды превращаются в планетную систему: только те, у которых родительская звезда имеет относительно высокую металличность, а температура в диске не слишком велика. Проплиды двигаются сквозь туманность под воздействием ударных волн от взрывов вблизи новых и сверхновых звёзд, что подтверждает теорию Койпера.

«Хаббл» позволил впервые своими глазами увидеть протопланетные диски у молодых звёзд

NASA / ESA, R. Soummer, Ann Feild (STScI)

Работая с «Хабблом», астрономы смогли найти и другие места активного звёздообразования. Например, в яркой туманности NGC 1977 в 1500 световых годах от нас (в том же созвездии Ориона) были обнаружены семь подтверждённых проплидов. А инфракрасный телескоп «Спитцер» помог открыть третий, «кометный» тип протопланетных дисков — с огромными хвостами испаряющегося газа.

Также диски можно обнаружить по избыточному инфракрасному излучению, так как они рассеивают тепло своих звёзд. Такие диски нашли у сравнительно близких к нам звёзд: у Веги возрастом 455 млн лет, Фомальгаута (440 млн лет), Эпсилона Эридана (400–800 млн лет) и Беты Живописца (12 млн лет). В качестве примера можно рассмотреть Фомальгаут. Он окружён несколькими кольцами пыли: горячим внутренним (0,1 а. е. от звезды), горячим внешним (0,88–1,08 а. е.) и внешним холодным (133–158 а. е.). В ноябре 2008 года в системе у внутренней границы внешнего диска была открыта массивная планета — её назвали Дагон. Впрочем, сегодня учёные считают, что вместо настоящей планеты там находится пылевое облако.

Важнейшим открытием стало обнаружение воды в протопланетных дисках. Например, в 2007 году учёные из университета Рочестера изучили спектр юной звезды NGC 1333-IRAS 4B в созвездии Персея, полученный с помощью «Спитцера», и выяснили, что она окружена облаком водного льда. Под действием гравитации он со сверхзвуковой скоростью падает на протопланетный диск, превращаясь по дороге в пар. Фактически в системе идёт непрерывный чудовищный дождь!

В пылевом облаке у молодой звезды Oph-IRS 48 астрономы нашли диметилэфир — один из кирпичиков биологической жизни

ESO / L. Calçada [CC BY 4.0]

Если в дисках у молодых звёзд есть вода, значит, есть вероятность, что из космоса она выпадает на планеты и при остывании образует моря и океаны. Следовательно, там возникает основа для появления жизни. Более того, в составе дисков давно обнаружены сложные органические молекулы. Например, у молодой звезды Oph-IRS 48 (444 световых года от нас) в созвездии Змееносца была зафиксирована самая длинная молекула из всех найденных на сегодня — диметилэфир. Возможно, биологические «кирпичики» тоже появляются на самой заре нового мира?

Конечно, учёным предстоит найти ответы ещё на многие вопросы о происхождении звёзд и планет. К примеру, в модель Койпера не укладываются горячие юпитеры, обнаруженные поблизости от родительских звёзд, и этот факт требует дальнейших исследований. Но благодаря современной астрономической технике мы можем воочию наблюдать космогонические процессы и вместо того, чтобы изощрённо теоретизировать, непосредственно изучать «творение» миров.