Почему светило не поглощает планеты на ранних стадиях развития

Недавно астрофизикам удалось ответить на один из самых трудных вопросов теории возникновения планетных систем. Звучит он так — почему в самом начале образования звезды и планет, светило, формируясь быстрее, не поглощает планеты на ранних стадиях развития, когда они двигаются куда медленнее из-за скоплений пыли? Оказывается, их спасает… пустота!

Фото:

Думаю, нет нужды объяснять, почему Луна при современном положении вещей не может упасть на более массивную Землю, а все планеты нашей системы — на огромное Солнце. Это известно каждому еще со школьных времен из курса физики. Однако для тех, кто подзабыл его (или проболел именно эти уроки), напомню ответ — потому что и Луна, и планеты находятся в постоянном движении вокруг звезды (или Земли, в случае Луны).

В самом деле, согласно закону всемирного тяготения в формулировке Ньютона, сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками, разделенными определенным расстоянием, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. А поскольку масса того же Солнца во много раз больше суммарной массы всех планет, то, если бы они не вращались, то оно бы "проглотило" их в одно мгновение (как древнегреческий бог Кронос глотал своих детей и не морщился).

В принципе, вполне логично сказать, что все планеты вот уже свыше четырех миллиардов лет падают на Солнце, но никак не могут упасть. А почему? Да потому, что они непрерывно движутся по своим орбитам, сочетая падение к светилу (благодаря его притяжению) с движением в поперечном направлении (унаследованным еще при самом их возникновении). В результате этого их среднее расстояние до Солнца почти не меняется (а сила притяжения Солнца также почти не меняется, поскольку не сильно-то уменьшилась масса звезды).

Читайте также: Экзопланеты живут без правил

Проще говоря, все планеты до сих пор живы и здоровы лишь потому, что носятся как заведенные по своим орбитам с более или менее постоянной скоростью. Вот если бы они замедлили свой бег, тогда бы коварное Солнце сразу стало тянуть их к себе. Однако этого не происходит — отчасти потому, что мощный свет нашей звезды, а также солнечный ветер (заряженные частицы, испускаемые с большой скоростью по всем направлениям) "выдувают" из межпланетного пространства пыль, нейтральный и ионизированный газ. А эти скопления как раз и могут тормозить движения планет.

Однако это происходит уже сейчас, когда наша система имеет законченный вид. Но почему, спрашивают некоторые астрофизики, поглощение планет звездой не произошло раньше, на этапе формирования Солнечной системы? Напомню, что по традиционным представлениям, в начале было холодное разреженное облако, которое под действием собственного тяготения начинает сжиматься (и при этом вращаться). Постепенно плотность его растет, особенно в центральной части, из которой получается звезда. Когда сжатие достигает определенных пределов, энергия гравитации переходит в тепло, разогревающее это облако.

Когда же температура в его ядре не достигает миллионов градусов, то начинаются термоядерные реакции, звезда вспыхивает, но и сжатие прекращается, поскольку давление, создаваемое этими реакциями, противодействует гравитации. А оставшаяся часть облака, которую звезда не смогла втянуть до того, как зажглась, какое-то время продолжает вращаться вокруг нее, уплотняясь еще больше под давлением испускаемых излучения и частиц. Получается что-товродеаккреционного диска, во внешней части которого со временем начинают формироваться планеты.

Однако, тем не менее, притяжение молодой звезды пока еще слишком велико, а планеты находятся достаточно близко. Кроме того, из-за большого количества космической пыли и газа, тормозящего их движение, они на этом этапе не могут нормально разогнаться. То есть скорости их вращения по орбите недостаточно для того, чтобы центробежные силы эффективно противостояли гравитации. Ну, а раз так, то теоретически звезда должна очень быстро притянуть и "проглотить" их. И, если исходить из этой схемы, то никаких планетных систем вообще не должно образовываться.

Но, как вы понимаете, на практике этого не происходит (или происходит очень редко). И хорошим доказательством тому служит существование не только нашей, но и других планетных систем. Так что перед астрофизиками долгое время стоял практически неразрешимый вопрос — почему планетные системы существуют, если этого, по идее, не должно было быть?

И вот недавно его попытались решить астрофизики Питер Плэвчен и Кристофер Билински. Они провели компьютерные симуляции на основе данных о 126-ти достоверно наблюдаемых экзопланетах, полученных наземными телескопами, а также 649-ти, найденных космическим зондом Kepler, чье существование еще не подтверждено окончательно. И в результате выяснилось, что формирование планетных систем не является принципиально невозможным с теоретической точки зрения.

Расчет показал, что притяжение звездой планет на раннем этапе останавливает… пустота (но, соответственно, не полный вакуум, а зона, где вещества просто гораздо меньше, примерно столько же, сколько сейчас между планетами). Модель показала, что в аккреционном газовом диске ближе к звезде на позднем этапе ее формирования всегда возникает область все более пустого пространства. Эта область образуется в тех местах, где все вещество было либо втянуто звездой, либо сдуто ее излучением.

В итоге получается, что когда новорожденная планета оказывается в этой пустой области, ее уже ничто не тормозит, поскольку сила трения, замедляющая полет планеты, в этой области резко падает. Соответственно, планета получает возможность разогнаться и приобрести скорость, достаточную для того, чтобы противостоять гравитации своего светила.

Кстати, по расчетам Плэвчена и Билински, таких зон может возникать несколько. Не исключено, что современные орбиты планет как раз и показывают те места, где давным-давно они располагались (по крайней мере, ближайших к звезде планет). Ну, а дальше уже могла пойти своеобразная цепная реакция — более близкие планеты отталкивали от светила более дальние своей собственной гравитацией, и им к тому же помогали планетезимали (недоформировавшиеся планеты), которые носились в новорожденной планетной системе и врезались во всех на своем пути.

Читайте также: Хвостатая планета танцует со звездой

Итак, ученые заключают, что процесс поглощения молодой звездой  должен быть чрезвычайно редким явлением. Это произойдет лишь с теми планетами, которые не смогли вовремя оказаться в "пустой зоне". Получается, что нет ничего такого, что делало бы невозможным формирование планетной системы из протопланетного облака. Что же, еще одним неразрешимым вопросом в астрономии стало меньше.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"