Сонячна система – це хаотичне, велике скупчення уламків, що утримується разом гравітацією. У її центрі знаходиться Сонце – звичайна зірка в галактиці Чумацький Шлях, навколо якої обертаються всі інші об’єкти. Нині ми налічуємо вісім планет. (Раніше їх було дев’ять, якщо ви все ще чекаєте на повернення Плутона.) У цих планет відомо більше 400 супутників. Потім йдуть астероїди, деякі з яких мають свої маленькі супутники. Комети. Крижані тіла. І міжпланетне середовище — широке місце, заповнене розрідженим газом і пилом, яке заповнює порожнечу.
Вся ця система знаходиться всередині «Світу, що спостерігається». Це частина простору, яку люди можуть фактично побачити або теоретично спостерігати за допомогою технологій. Що знаходиться за її межами? Можливо, нескінченність. Ми не знаємо. Ми просто знаємо, що наше локальне оточення звичайно.
Стародавнім астрономам не потрібні були супутники. Вони мали неозброєні очі. Вони спостерігали Сонце. Місяцем. Найяскравішими планетами. Відстеження їхніх рухів породило астрономію. Сьогодні у нас достатньо даних про рух планет, їх властивості та склад, щоб заповнити бібліотеки. Наші інструменти спрямовані далеко за межі Сонячної системи, в інші галактики та на край відомого Всесвіту.
Але ось у чому річ. Сонячна система залишається межею нашого фізичного охоплення. Це також є основою нашого теоретичного розуміння космосу. Ми відправили зонди та посадкові модулі, які ходили поверхнями та ковзали по атмосферах. Ці дані доповнюються вимірюваннями, отриманими за допомогою телескопів, розташованих як нижче, так і вище від земної атмосфери. Вони поєднуються з інформацією, отриманою з метеоритів і місячних зразків, доставлених астронавтами.
Вся ця інформація ретельно аналізується у спробах докладно зрозуміти походження та еволюцію Сонячної системи.
Астрономи, як і раніше, роблять великі кроки на шляху до цієї мети. Ми збираємо по крихтах, як все це починалося.
Склад Сонячної системи
Із чого вона складається? В основному з водню та гелію в Сонці. Але що щодо іншого? Камені. Лід. Газ. Пил. Склад сильно варіюється в залежності від того, куди ви дивитеся. Ближче до Сонця переважають каміння. Далеко за межами – лід. Міжпланетне середовище пов’язує все це разом за допомогою тонкого серпанку. Ми все ще визначаємо точні співвідношення та розподіл. Але ми знаємо, що воно не є однорідним.
Сонце не просто не діє. Воно утримує Сонячну систему. Понад 99 відсотків її загальної маси зосереджено у цій єдиній зірці. Його гравітація утримує все інше на своїх орбітах. Без неї планети полетіли б у темряву.
Порядок планет визначається відстанню від Сонця. Найближче знаходиться Меркурій. За ним слідує Венера. Далі йде Земля. Марс знаходиться з іншого боку поясу астероїдів. За ним панують гіганти. Юпітер. Сатурн. Уран. Нептун.
Більшість із цих світів не самотні. Від Юпітера до Нептуна у всіх є обручки. Тільки Меркурій і Венера не мають супутників. Інші планети мають один або кілька супутників.
Плутон залишався у полі зору протягом десятиліть. Відкритий у 1930 році, він знаходився за орбітою Нептуна як дев’ята планета. Це змінилося 1992 року. Астрономи виявили ще далекий крижаний об’єкт. Потім з’явилися інші. та інші.
З’явилася Еріда. Вона здавалася такою ж великою, як Плутон. Можливо навіть більше.
Усвідомлення вдарило по всіх. Плутон був унікальним. Він був лише одним із багатьох великих об’єктів у новому популяційному класі. Його назвали поясом Койпера.
Це скупчення крижаних тіл вимагало перегляду визначень. Що вважається планетою?
Міжнародний астрономічний союз (МАС) втрутився у ситуацію. Він має повноваження класифікувати астрономічні об’єкти. У серпні 2006 року відбулося голосування.
Плутон втратив свій статус. Він не був стертий. Він був перекласифікований.
Новий ярлик: карликова планета.
Чому Плутон був перекласифікований
Рішення МАС не було довільним. Воно було засноване на послідовності. Якщо Плутон залишається планетою, то чому не Еріда? Чому не Церера? Чому не десятки інших великих об’єктів поясу Койпера, відкритих на початку 2000-х?
Визначення має значення. Планета має розчистити свою орбіту. Плутон ділить свій простір з безліччю інших об’єктів пояса Койпера. Він не розчистив їх. Він є лише одним із багатьох.
Це зрушення демонструє, як наука оновлює себе. Нові дані змушують старі категорії руйнуватися. Сонячна система не статична. Наше розуміння її теж є незмінним.
Пояс Койпера залишається незвіданою територією. Ми лише поверхово вивчили його. Ймовірно, чекають на своє відкриття ще багато об’єктів. Кожен із них додає нові деталі в історію формування Сонячної системи.
Зниження статусу Плутона був втратою. Це було виправлення. Воно помістило карликову планету до її належного контексту. Не як аномалію. А як члена більшої родини.
Сонячна система — це скупчення великих об’єктів. Вона заповнена залишками. Все, що не є Сонцем, планетою, карликовою планетою чи супутником, потрапляє до загальної категорії: малі тіла Сонячної системи. До цієї групи входять астероїди, метеороїди та комети. Це поле уламків нашого космічного сусідства.
Понад мільйон астероїдів, також відомих як малі планети, знаходяться в майже плоскому кільці між орбітами Марса і Юпітера. Це пояс астероїдів. Це густо населене місце, але позбавлене драматизму. Це каміння рухається стабільними, передбачуваними орбітами, будучи залишками скелястого матеріалу, який не зміг об’єднатися в планету.
Потім є дрібніші фрагменти. Все, що має розмір менше кількох десятків метрів у поперечнику, часто називають метеороїдом. Ця різниця має значення. Воно відокремлює мандрівні космічні камені від великих астероїдних тіл. Ці крихітні мандрівники населяють міжпланетний простір у кількості мільярдів. Вони – пил та щебінь Сонячної системи.
Крижані сховища
Комети розповідають іншу історію. Їх кілька мільярдів, що ховаються у темряві. Вони знаходяться у двох різних резервуарах. Це сховища крижаної історії Сонячної системи.
Найвіддаленіший із них — хмара Оорта. Це сферична оболонка, що оточує всю Сонячну систему. Вона знаходиться на приголомшливій відстані приблизно 50 000 астрономічних одиниць (а.е.). Для порівняння: це більш ніж у 1000 разів більше за відстань до орбіти Плутона. Одна астрономічна одиниця – це середня відстань від Землі до Сонця – близько 150 мільйонів кілометрів. Хмара Оорта – це холодна темна в’язниця для комет з довгим періодом звернення.
Інший резервуар знаходиться ближче. Це пояс Койпера. Це товста, дископодібна зона. Її основна концентрація простягається на 30-50 а. від Сонця. Він лежить за орбітою Нептуна. Він навіть включає частину орбіти Плутона. Пояс Койпера є домом для комет з коротким періодом поводження та крижаних карликових планет.
Крижані світи та гравітаційний дрейф
Так само, як астероїди є скелястими уламками внутрішніх планет, об’єкти пояса Койпера є їх крижаними аналогами. Плутон, його супутник Харон, Еріда і безліч інших — це представники крижаних тіл, що вижили, які сформували ядра Нептуна і Урана. Це будівельні блоки, які були відкинуті чи викинуті.
Завдяки такому походженню, Плутон і Харон можна як дуже великі ядра комет. По суті це брудні сніжки, які так і не нагрілися достатньо, щоб випаруватися.
Потім є кентаври. Це населення ядер комет з діаметрами до 200 км. Вони обертаються навколо Сонця між орбітами Юпітера та Нептуна. Вони нестабільні. Ймовірно, вони опинилися там завдяки гравітаційним обуренням, які перемістили їх усередину від пояса Койпера. Це космічні мандрівники, які опинилися між гігантами.
Простір між цими об’єктами не порожній. Це міжпланетне середовище. Це надзвичайно розріджена плазма. Це іонізований газ, пересипаний пиловими частинками. Вона простягається від Сонця приблизно до 123 а. Це невидима рідина космосу.
Гості з інших місць
Сонячна система навіть містить об’єкти з міжзоряного простору. Вони просто пролітають повз. Вони не належать гравітаційному колодязі нашого Сонця. Було виявлено два такі міжзоряні об’єкти. Це змінює все, що ми думали про ізоляцію нашого сусідства.
Першим був “Оумуамуа”. Він прибув у 2017 році із незвичайною формою. Він був схожий на сигару чи млинець. Він перекидався у просторі. Можливо, він складався із азотного льоду. Вчені сперечалися про його походження протягом багатьох років
Чому орбіти не є ідеальними колами
Подивіться на нічне небо, і вам може здатися, що все обертається навколо Сонця обережними, впорядкованими петлями. Насправді, це не так. Планети, карликові планети, астероїди і навіть крижані мандрівники поясу Койпера рухаються еліпсами. Вони рухаються у тому напрямі, у якому обертається Сонце. Астрономи називають цей прямий, або прямий рух. Якби ви могли ширяти над Північним полюсом Землі і дивитися вниз, вся Сонячна система здавалася б обертається проти годинникової стрілки.
Це одноманітний, упорядкований танець.
За винятком комет із хмари Оорта. Це аномалії. Вони приходять з усіх напрямків. Їхні орбіти випадкові, що відбиває сферичний розподіл, що оточує плоску площину планет. Їм немає діла до екліптики. Вони просто з’являються.
Геометрія простору
Як ми вимірюємо ці шляхи? Ексцентриситет. Це число, яке каже вам, наскільки витягнуто орбіту. Нуль означає ідеальне коло. Одиниця – це парабола, що в основному означає, що об’єкт ніколи не повернеться.
Венера та Нептун мають найкругліші орбіти з усіх. Їхні ексцентриситети крихітні – 0,007 і 0,009. Меркурій – протилежність. Це найближча до Сонця планета, і в неї сильно витягнутий шлях із ексцентриситетом 0,21. Плутон ще дивніший, його значення становить 0,25.
Потім є спосіб. Це кут орбіти щодо орбітальної поверхні Землі. Меркурій також перемагає тут, нахиляючи свій шлях на 7 градусів. Плутон – це безлад, нахилений на 17,1 градуса. Більшість малих тіл мають високі ексцентриситети та високі способи. Деякі комети з хмари Оорта нахилені настільки сильно, що їхнє нахилення перевищує 90 градусів. Вони обертаються у ретроградному напрямку. Назад. Проти течії.
Великий поділ: камінь проти газу
Вісім планет не є монолітом. Вони поділяються на два табори на основі густини.
Внутрішня четвірка Меркурій, Венера, Земля і Марс є земними. Вони кам’янисті. Їхня щільність більше 3 грамів на кубічний сантиметр. Для контексту вода має щільність 1 грам на кубічний сантиметр. Це тверді світи.
Зовнішні гіганти – Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун – розповідають іншу історію. Вони величезні. Їхня щільність менше 2 грамів на кубічний сантиметр. Юпітер та Сатурн складаються в основному з водню та гелію. Уран та Нептун змішують лід та камінь. Це юпітеріанські, чи гігантські, планети.
Плутон ніяково сидить посередині. Це крижане тіло із низькою щільністю. Він менший за Місяць Землі. Він більше схожий на комету чи великий крижаний супутник, ніж планету. Класифікація його як об’єкта пояса Койпера пояснює його аномалії. Він належить до крижаного сміття, а не до гігантських планет.
Щити та атмосфери
Малі внутрішні планети мають тверду поверхню. Вони не мають кільцевих систем. У них мало чи ні супутників. Їхні атмосфери густі окисленими сполуками, такими як вуглекислий газ.
Земля – аномалія серед них. Має сильне магнітне поле. Це поле діє як щит проти міжпланетного середовища. Воно захоплює електрично заряджені частинки в область, яку називають магнітосферою. Усередині цієї магнітосфери знаходяться пояси Ван Аллена. Це зони високоенергетичних частинок.
Чому Земля має цей щит, а інші не мають? У тексті не сказано. Але це має значення. Без цієї магнітосфери атмосфера, мабуть, була б стерта давно. Внутрішні планети знаходяться просто неба. Земля носить броню. Зовнішні планети покладаються на чисту масу, щоб утримувати свій водень та гелій. Плутон покладається на те, що він далекий і холодний. Сонячна система – це колекція різних стратегій виживання.
Прихована складність зовнішньої частини Сонячної системи
Забудьте все, що ви знаєте про тверду поверхню. Чотири газові гіганти — Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун — величезні. Їхні атмосфери являють собою щільні ковдри з водню і гелію, що йдуть углиб під жахливим тиском. Там немає поверхні, де можна було б стояти. Лише шари газу, що стають все щільнішими, поки вони не перетворюються на екзотичні рідини під впливом екстремального тиску.
Їхня щільність настільки мала, що Сатурн, якби ви знайшли досить велику ванну, міг би в ній плавати. Вони також поділяють інші особливості: магнітні поля, системи кілець та армії місяців. Ми продовжуємо відкривати нові. Плутон, що колись вважався дев’ятою планетою, знаходиться на околиці. Має п’ять відомих супутників і немає кілець. Але він не самотній. Інші об’єкти пояса Койпера і навіть деякі астероїди мають власні супутники.
Ці місяці не просто каміння. Це – світи. Більшість їх обертаються у тому напрямі, у якому їхні планети рухаються навколо Сонця. Але їхнє довкілля? Вкрай різна.
Іо, один із супутників Юпітера, – це вулканічний кошмар. Це вулканічно активне тіло в Сонячній системі. Лавові потоки течуть постійно.
Титан, супутник Сатурна, більший за Меркурія. У нього щільна атмосфера, товща за земну, що складається з азоту і метану. На його поверхні йде дощ із рідких вуглеводнів.
Потім є Тритон, що обертається навколо Нептуна у зворотному напрямку. Ретроградна орбіта. Він рухається у напрямку, протилежному до обертання Нептуна. Це свідчить про те, що він був захоплений, а чи не сформувався дома. Його поверхня має температуру 37 кельвінів. Це -393°F. З його крижаної кори тонку атмосферу викидаються гейзери з азоту.
Астероїди та комети
Звідки беруться астероїди?
Астероїди – це кам’яні залишки, що залишилися після формування Сонячної системи. В основному вони знаходяться в поясі астероїдів між Марсом та Юпітером. Але деякі з них наближаються до Землі.
Комети – це щось інше. Вони є крижаними брудні кулями. Коли вони наближаються до Сонця, вони нагріваються. Газ і пил вириваються назовні, створюючи кому і хвіст, що світиться, спрямований від Сонця.
Чому це важливо? Тому що ці малі тіла містять ключі до розгадки. Вони мало змінилися з того часу, як Сонячна система почала формуватися 4,6 мільярда років тому. Їхнє вивчення розповідає нам про те, як формувалися планети. Як вода потрапила на землю. Як могло розпочатися життя.
Як утворюються місяці?
Більшість місяців формуються разом зі своїми планетами з одного і того ж обертового диска газу та пилу. Та не всі.
Зворотна орбіта Тритона доводить, що не формувався разом із Нептуном. Він був захоплений гравітацією планети. Зіткнення можуть створювати місяці. Місяць Землі, ймовірно, утворився після того, як тіло розміром з Марс ударило по нашій молодій планеті. Уламки злилися в Місяць, який ми бачимо сьогодні.
Деякі місяці, такі як Амалтея Юпітера, мають неправильну форму. Вони маленькі, мають неправильну форму та обертаються далеко від своєї планети. Можливо, це захоплені астероїди.
З чого складаються системи кілець?
Ми часто думаємо про кільця як про щось тверде. Але це негаразд. Вони складаються із мільярдів крихітних частинок. Льоду та каменю. Кожна частка обертається незалежно.
Кільця Сатурна – найпомітніші. Вони здебільшого складаються з водяного льоду. Деякі складаються з пилу, деякі з великих фрагментів. Кільця тонкі – іноді всього 10 метрів завтовшки – але широкі. Вони простягаються на сотні тисяч кілометрів.
Юпітер, Уран,
Астероїди та комети – це залишки. Це уламки хаотичної епохи, коли планети формувалися у внутрішній та зовнішній частинах Сонячної системи. Пояс астероїдів – це цвинтар кам’янистих тіл.
Їхні розміри сильно різняться.
На вершині списку стоїть Церера. Вона величезна, її діаметр становить близько 940 км (585 миль). Міжнародна астрономічна асоціація (IAU) тепер класифікує її як карликову планету, але за фізичними характеристиками вона відповідає великому астероїду. Нижче за неї? Все аж до мікроскопічного пилу. Пояс заповнений частинками, що дрейфують у космосі.
Деякі з цих каменів перетинають орбіту Землі.
Така близькість створює ризик. Великі зіткнення рідкісні, але катастрофічні. Об’єкти розміром понад 1 км (0,6 милі) несуть достатньо енергії, щоб спустошити планету. Ми бачили результат 65 мільйонів років тому. Удар астероїда спричинив масове вимирання, що знищило динозаврів.
Найменші об’єкти потрапляють набагато частіше.
Вони згоряють у атмосфері чи падають поверхню як метеоритів. Найчастіше вони завдають мало шкоди. Але ті, що досягають поверхні, дають нам підказки.
З чого складаються астероїди?
Ми вивчали їх із Землі. Ми відправляли космічні апарати для прольоту повз них. Дані узгоджені.
Астероїди не однорідні.
- Деякі є металевими. Вони складаються переважно із заліза.
- Інші – кам’яні.
- Третя група багата на органічні сполуки.
Ці багаті на вуглець тіла нагадують метеорити вуглецевих хондритів. Вони містять будівельні блоки життя.
Відвідування космічними апаратами розкривають більше.
Поверхня неправильної форми. Вони вкриті кратерами. Це свідчить про бурхливу історію. Вони зазнавали бомбардування протягом мільярдів років.
Чому вони важливі зараз
Ці тіла – капсули часу.
Вони зберегли примітивний матеріал ранньої Сонячної системи. Вони мало змінилися з того часу, як сформувалися планети. Їхнє вивчення розповідає нам про те, як утворилися Земля та її сусіди.
Але є й небезпека.
Ті самі об’єкти, що зберігають давню історію, можуть стерти сучасну цивілізацію. Ми відстежуємо їх не лише заради науки, а й задля виживання. Найближчі до Землі астероїди є постійним нагадуванням. Процес формування планет не просто зупинився. Він залишив по собі інструменти, які можуть створювати світи. Або знищувати їх.
Кордон між науковою цінністю та екзистенційною загрозою тонка. Вона вимірюється кілометрами та швидкістю удару. Ми уважно стежимо за ними. Ми завжди стежили.
Більшість людей представляють астероїди як кам’янистий уламковий матеріал, а комети як крижані сніжки. Ця різниця витримує перевірку при більш уважному розгляді. Ядра комет принципово відрізняються від своїх кам’янистих аналогів. У їхньому складі домінує водяний лід. Також у складі льоду присутні заморожені діоксид вуглецю, монооксид вуглецю та метанол. Це не чисті крижані сфери. Вони пронизані гірським пилом і багатою різноманітністю органічних сполук. Деякі зерна дуже малі. У деяких кометах бруду може бути більше льоду. Ця суміш має значення. Вона розповідає нам про те, як рання Сонячна система акумулювала матеріал.
Комети з великим періодом і Хмара Оорта
Комети поділяються на категорії залежно від їхнього орбітального періоду. Це час, необхідний їм повного обороту навколо Сонця. Комети з великим періодом здійснюють один оборот за більш ніж 200 років. Часто цей процес займає мільйони років. Ці мандрівники приходять із Хмари Оорта. Це сферична оболонка, що оточує Сонячну систему. Ядра там мають неправильну форму. Їхній діаметр складає всього кілька кілометрів.
Більшу частину свого існування вони проводять у глибокому заморожуванні. Вони знаходяться на величезних відстанях від Сонця. Йдеться про відстань, що становить одну п’яту частину шляху до найближчої зірки. Ми не можемо бачити їх із Землі. Їхня присутність визначається на основі спостереження за їх орбітами. Ці орбіти сильно витягнуті. Ексцентриситет близький до одиниці. Коли вони нарешті наближаються до Сонця, вони обгинають його та відлітають назад.
Їхні траєкторії можуть бути нахилені в будь-якому напрямку. Ця випадковість підтверджує, що Хмара Оорта має сферичну форму. Це величезний резервуар первозданного матеріалу. Ми не сідали на ці об’єкти. Ми не торкалися їх. Ми бачимо їх лише тоді, коли гравітаційні обурення змушують їх рухатись усередину Сонячної системи.
Комети з малим періодом і Пояс Койпера
Комети з малим періодом повертаються швидше. Вони здійснюють оберт навколо Сонця менш ніж за 200 років. Багато хто повертається кожні кілька десятиліть. Їхнє джерело відрізняється. Це Пояс Койпера. Цей регіон знаходиться за орбітою Нептуна. Він набагато ближче, ніж Хмара Оорта. Він розташований у площині Сонячної системи.
Комети з цього поясу підкоряються іншим правилам. Вони рухаються більш круговими орбітами. Вони мають прямий напрямок руху, тобто обертаються в тому ж напрямку, що й планети. Їхні періоди часто становлять 20 років або менше. Пояс Койпера було сфотографовано. Великі телескопи зафіксували зображення його ядер. Ці об’єкти доступніші, ніж об’єкти в Хмарі Оорта. Проте вони залишаються далекими.
Відмінність між цими двома популяціями різко виражена. Комети з великим періодом прибувають із усіх напрямків. Комети з малим періодом залишаються поблизу площини екліптики. Цей поділ свідчить про різне походження. Або принаймні на різні місця зберігання. Пояс Койпера знаходиться ближчий. Ми можемо його бачити. Хмара Оорта є теоретичною, заснованою на орбітальній механіці. Воно надто далеке для прямого спостереження.
Чому це має значення? Склад цих ядер містить підказки про формування планет. Органічні речовини у кометах могли засіяти ранню Землю. Вода могла вчинити з цих крижаних тіл. Розуміння того, звідки вони приходять, допомагає нам зрозуміти, звідки ми прийшли. Ми ще збираємо карту зовнішньої частини Сонячної системи. Пояс Койпера видно. Хмара Оорта залишається прихованою. Ми чекаємо на наступного відвідувача, який з’явиться з темряви.
Залишкові сліди комет і сонячний вітер
Комети не просто ширяють у темряві. Коли вони проходять ближче до Сонця, на них обрушується потужний тепловий удар. Це не м’яке зігрівання. Ядра скидають гази та пил. Цей матеріал розростається у вигляді туманних грудок і витягується у довгі, тонкі хвости. Газ розсіюється у порожнечі. Проте пилові зерна залишаються дома. Силікати та органічні сполуки обертаються навколо Сонця траєкторіями, практично ідентичним траєкторіям батьківської комети.
Так утворюється слід. Стрічка уламків.
Коли орбіта Землі перетинає одну з таких пилових стрічок, ми спостерігаємо метеорний потік. Нічні спостерігачі можуть бачити десятки чи сотні падаючих зірок на годину. Пилові зерна згоряють у верхніх шарах атмосфери. Це видовище. Але воно не випадкове. Хоча випадкові метеори ми бачимо щоночі, їх кількість різко зростає під час таких подій. Навіть у звичайний день земна атмосфера бомбардується більш ніж 80 тоннами пилу. Більшість цього пилу – астероїдні або кометні уламки. Ми постійно пливемо серед решток нашої Сонячної системи.
Міжпланетне середовище
Космос не порожній. Він заповнений не лише уламками.
Простір між планетами містить протони, електрони та іони. Це рясні елементи, що стікають від Сонця назовні. Вони утворюють сонячний вітер. Іноді лежить на поверхні Сонця відбуваються потужні сонячні спалахи. Ці короткочасні виверження викидають матерію та високоенергетичне випромінювання. Це додається до загальної суміші. Це і є міжпланетне середовище.
У 2012 році «Вояджер-1» перетнув кордон. Він перейшов із міжпланетного середовища до міжзоряного. Цей кордон називається геліопаузою. З того часу, як він пройшов через неї, «Вояджер-1» вимірює властивості міжзоряного простору. Це перший створений людиною об’єкт, який залишив нашу «бульбашкову» область.
Ранні спроби пояснити наше походження
Чим більше даних ми отримуємо про планети, супутники, комети та астероїди, тим складніше пояснити, звідки все це взялося. Давні теорії були розмитими. Вони не обмежувалися фактами.
Науковий підхід став можливим лише після того, як Ісаак Ньютон опублікував свої закони руху та гравітації у 1687 році. Це стало фундаментом. Але навіть тоді вченим було тяжко. Потрібні були роки, щоб застосувати закони Ньютона до видимих рухів планет і комет.
У 1734 році шведський філософ Еммануїл Сведенборг запропонував модель. Він припустив, що оболонка матеріалу довкола Сонця розкололася на частини. Ці частини утворили планети. То була рання ідея формування Сонячної системи з первісної туманності.
Іммануїл Кант розвинув цю ідею у 1755 році. Німецький філософ спирався на концепцію Сведенборга. Він започаткував ланцюжок міркувань, який домінував протягом століття.
Небулярна гіпотеза Канта – Лапласа
Центральна ідея Канта була простою. Сонячна система почалася як хмара розсіяних частинок. Взаємне гравітаційне тяжіння змушувало їх рухатися та стикатися. Хімічні сили утримували їх разом.
Найбільші агрегати зростали швидше. Вони приваблювали більше матеріалу. Зрештою вони утворили планети.
Кант був фізиком чи математиком. Він не враховував обмеження власного підходу. Його модель не пояснювала, чому планети рухаються в одному напрямку та в одній площині. Вона також могла пояснити обертання планетних супутників. Вона була неповною.
Значний крок уперед було зроблено через 40 років. П’єр-Симон Лаплас із Франції був блискучим математиком. Він спеціалізувався на небесній механіці. Він опублікував монументальний трактат на цю тему. Він також написав популярну книгу з астрономії. У додатку він запропонував свої міркування щодо походження Сонячної системи.
Модель Лапласа починалася з уже сформованого Сонця. Воно оберталося. Його атмосфера простягалася за межі відстані, на якій мала утворитися найдальша планета. Лаплас не знав джерела енергії у зірках. Він припускав, що Сонце остигатиме в міру випромінювання тепла.
У міру охолодження Сонця тиск газу знижувався. Сонце стискалося. Набрав чинності закон збереження кутового моменту. Зменшення розміру означало збільшення швидкості обертання. Відцентрове прискорення виштовхувало матеріал атмосфери назовні. Гравітація тягла його до центру. Коли ці сили врівноважувалися, залишалося кільце матеріалу. Воно розташовувалося у площині екватора Сонця.
Цей процес повторювався. Утворилося кілька концентричних кілець. Кожне кільце злипалося, утворюючи планету. Супутники походили з подібних кілець, створених планетами, що формуються.
Модель Лапласа пояснювала, чому планети обертаються навколо Сонця в одній площині та в одному напрямку. Вона включала ідею Канта про злипання матеріалу. Два підходи об’єдналися. Вони стали небулярною гіпотезою Канта Лапласа.
Вона широко приймалася близько 100 років.
Але Сонячна система має особливості. Видима правильність рухів спростовувалась відкриттями. Було знайдено астероїди з сильно витягнутими орбітами. Було виявлено супутники з ретроградними орбітами. Це не вписувалося в акуратні обручки.
Іншою проблемою була маса та момент імпульсу. Сонце містить 99,9% маси Сонячної системи. Планети — переважно чотири гігантські зовнішні — несуть понад 99 відсотків кутового моменту. Щоб теорія Канта-Лапласа була вірною, або Сонце має обертатися швидше, або планети повинні рухатися навколо нього повільніше. Але це негаразд. Математика не сходиться.
На початку 1900-х років вчені відкинули гіпотезу про туманність. Вони бачили надто багато недоліків у старій моделі. Американці Томас Чраузер Чамберлен і Форрест Рей Моултон зробили свій внесок. Пізніше британські фізики Джеймс Джинс та Гарольд Джефріс додали свою версію. Вони запропонували катастрофічне походження. Ідея була простою, але жорстокою: Сонце пережило тісне зближення з іншою зіркою.
Коли ці два тіла проходили близько один до одного, гравітація витягувала матеріал із їхніх атмосфер. Цей матеріал виносився геть. Згодом він збирався у згустки. Ці згустки ставали планетами.
Однак у цієї теорії була серйозна проблема. Якщо для формування планет потрібно майже зіткнення зірок, то воно мало бути неймовірно рідкісним. Зірки знаходяться далеко один від одного. Тісні зближення відбуваються рідко. Якби теорія була вірна, сонячні системи в Чумацькому Шляху мали б практично бути відсутніми. Це не відповідало реальності.
Проблема з газом
Наступне велике зрушення відбулося в середині XX століття. Нарешті вчені зрозуміли, як формуються зірки. Вони також розібралися у динаміці газу навколо зірок. Висновок був однозначним: гарячий газ, відірваний від зоряної атмосфери, залишається на місці, очікуючи конденсації. Він розсіюється. Він розподіляється по порожнечі. Він ніколи не утворює планети.
Модель зоряного зіткнення була мертва.
Знання міжзоряного середовища змінило все. Це газ та пил, що плавають між зірками. Дослідники усвідомили, що ці хмари є величезними. Вони щільні. Зірки народжуються над порожнечі. Вони формуються всередині цих хмар. Отже, планети мають формуватися під час того самого процесу. Це не було окремою подією. Це була частина народження зірки.
Вчені повернулися до основ. Вони розглянули старі ідеї Іммануїла Канта та П’єра-Симона Лапласа. Нові дані підтримували деякі з цих старих більш м’яких концепцій.
Сучасний консенсус
Сьогодні ми розглядаємо походження Сонячної системи як стандартне формування зірок. Поле значно звузилося. У нас більше спостережливих даних, ніж будь-коли раніше. Ми вивчаємо області зіркоутворення у гігантських міжзоряних хмарах. Ми аналізуємо хімічні відбитки, які залишаються в існуючих об’єктах Сонячної системи. Правдоподібні моделі скоротилися до кількох надійних кандидатів.
Алістар Г. У. Кемерон, канадсько-американський астрофізик, відіграв центральну роль у цьому сучасному погляді. Його робота допомогла змістити фокус з катастрофічних випадків на поступові, властиві процесу явища.
Формування сонячної туманності
Стандартна історія про те, як виникла наша Сонячна система, набагато динамічніша, ніж може здатися на перший погляд. Все починається з масивної хмари газу та пилу, яка майже в десять-двадцять разів менша за масою, ніж наше сьогоднішнє Сонце. Ось і все. Невелика ділянка міжзоряного середовища.
Що запускає колапс? Це може бути випадковість. Випадкові щільності флуктуації всередині хмари. Один потік стає досить важким, щоб притягнути до себе сусідів. Або зовнішні сили змушують процес розпочатися. Ударна хвиля від близької наднової. Фізиці байдуже, який саме тригер спрацював, важливий лише результат.
Гравітація бере гору. Хмара стискається усередину. Воно не залишається круглим довгий час. Оскільки вся система обертається навколо центру Чумацького Шляху, зовнішні краї рухаються повільніше, ніж внутрішні. Набирають чинності сили зсуву. Хмара починає обертатися. І з його зменшення це обертання прискорюється. Збереження кутового моменту – неухильне правило. Чим менший розмір, тим швидше обертання.
Це обертання змінює форму. Гравітація тягне всередину. Відцентрова сила штовхає назовні. Але вони не борються однаково у всіх напрямках. Гравітація легко перемагає у напрямі, перпендикулярному осі обертання. Речовина падає усередину, до центру. Однак уздовж площини обертання відцентрова сила активно пручається. Вона перешкоджає колапсу.
Хмара сплющується. Воно перетворюється на диск. Млинець, що обертається, з речовини. У центрі все згущується. Формується щільна конденсація. Це відповідає базовій структурі небулярної моделі Лапласа, але із сучасною астрофізичною строгістю. Ми більше не просто гадаємо. Ми відстежуємо гідродинаміку протозіркового диска, що колапсує.
Чому Сонячна система являє собою сплющений диск
Геометрія тут підлягає обговоренню. Якщо ви бажаєте побудувати планету, вам потрібна площина. Ви не можете формувати планети в хаотичній сфері, якщо речовина має кутовий момент. Структура диска визначає, де формуються планети. Вона визначає кут їхньої орбіт. Більшість великих планет обертаються майже в одній площині саме через початкове сплющування.
Центральна конденсація стає Сонцем. Але диск залишається. Це сонячна туманність. Речовина в диску – це місце, де розгортається решта історії. Зерна пилу стикаються. Вони злипаються. Вони зростають. Але для цього потрібен час. І стабільне середовище. Диск забезпечує це.
Роль кутового моменту у формуванні планет
Кутовий момент – це невидима рука. Без нього ви отримуєте зірку і нічого більше. Або, можливо, зірку, оточену сферичною оболонкою, яка ніколи не заспокоюється. Сплющення необхідно для акреції. Воно дозволяє речовині ефективно збиратися в єдине ціле.
Розгляньте відцентровий бар’єр. Він перешкоджає падінню речовини у центр. Натомість речовина обертається по орбіті. Воно залишається у диску. Ця речовина, що обертається, є сировинним паливом для планет. Місяць. Астероїдів. Вся архітектура Сонячної системи залежить від цього початкового обертання.
Початкова маса була невеликою. Десять-двадцять відсотків маси Сонця. Але гравітація посилює ефект. Вона бере маленьке насіння і перетворює його на зірку. І в процесі створює сцену для решти. Диск – це не просто сміття. Це є фундамент.
«Результат цьому етапі, як й у моделі Лапласа, є диск речовини, сформований навколо центральної конденсації.»
Ми
Як Сонячна туманність побудувала планети
Сонячна туманність була не просто випадковою хмарою. Це був сплюснутий диск, який відбиває форму спіральних галактик, але у мініатюрному, людському масштабі космічних пропорцій. У міру того, як газ і пил стискалися до центру, потенційна енергія перетворювалася на кінетичну. Температура різко зросла. Зрештою центральний потік став досить гарячим, щоб запустити термоядерний синтез. Народилося Сонце.
Тим часом решта матеріалу в цьому диску не залишалася нерухомою. Він стикався. Прилипав. Зрост.
Більшість цих зерен мали майже ідентичні орбіти. Зіткнення були м’якими. Не тими, що розбивають каміння, а тими, що дозволяють їм зв’язуватися. Маленькі грудочки ставали більшими. Цей процес, що нагадує ранні теорії Іммануїла Канта, поступово формував більші об’єкти з хаосу.
Лінія снігу та поділ планет
Тут і зародилася архітектура розташування Сонячної системи. Температура падала із віддаленням від гарячого центрального тіла. Цей градієнт створив чіткий кордон – не в піску, а скоріше в льоду.
Близько Сонця було занадто тепло для замерзання води. Але на відстані приблизно 5 астрономічних одиниць (тобто) — там, де зараз Юпітер і далі, — вода могла конденсуватися в лід. То була не дрібниця. Вода – друга за поширеністю молекула у Всесвіті, поступаючись лише молекулярному водню. Там, де вода могла замерзати, твердих матеріалів було багато.
Об’єкти, що формуються в цій холодній зоні, мали великий вибір твердих речовин для зростання. Вони швидко набирали багато. Як тільки тіло, що акрекує, досягало приблизно десяти мас Землі, його гравітація ставала досить сильною, щоб захоплювати водень і гелій. Це найлегші та найпоширеніші елементи в природі. Планети у зовнішній зоні росли не лише з каміння; вони утворювали атмосфери. Вони ставали гігантами.
Усередині орбіти Юпітера історія була іншою. Внутрішні планети сформувалися в умовах такої високої температури, що леткі речовини не могли там утримуватись. Вода, вуглекислий газ, аміак залишалися газоподібними. Вони випаровувалися. Внутрішні планети залишилися невеликими. Кам’янистими. Щільними.
Астрономи називають кордон, де може утворюватися водяна крига, «лінією снігу». Вона при температурі близько 150 Кельвінів (-190 °F). Усередині цієї лінії? Силікати. Металеві зерна. Камені. Зовні? Лід. Градієнт густини досі видно сьогодні. Місяць Землі, що складається із силікатних мінералів, має щільність 3,3 грами на кубічний сантиметр. Супутник Сатурна Тетіс? Він складається переважно з водяного льоду. Його густина становить близько 1 грама на кубічний сантиметр.
Тріщини в традиційній моделі
Звучить логічно. Це відповідає даним. То чому ця модель з початку 1990-х років стикається із серйозними викликами?
Дві основні проблеми зруйнували простий наратив.
По-перше, відкриття екзопланет. Ми виявили інші сонячні системи з гігантськими планетами, що обертаються дуже близько до своїх зірок. Гарячі юпітери. Вони не повинні існувати, якщо модель сонячної туманності суворо дотримується температурних градієнтів. Якщо вони сформувалися там, де холодно, а потім мігрували всередину, це додає шару складності, якого не вистачає простій картині Канта-Лапласа.
По-друге, місія космічного апарату “Галілео” до Юпітера. Дані показали щось несподіване. Атмосфера Юпітера збагачена аргоном та молекулярним азотом. Ці гази вимагають температур 30 Кельвінів (-400 °F) або нижче для конденсації та захоплення у крижаних тілах. Це набагато холодніше, ніж традиційна лінія снігу. Це передбачає, що ядро Юпітера сформувалося набагато далі, ніж ми думали, або рання сонячна туманність була значно холоднішою, ніж передбачали моделі.
Пізні коригування теорії припускали, що температура поблизу центральної площини туманності могла становити близько 25 Кельвінів. Холодніше, ніж ми оцінювали. Але таємниця не повністю розкрита.
Швидкість формування
Незважаючи на ці негаразди, основа моделі сонячної туманності витримує перевірку. Інфрачервоні та радіо спостереження молодих зірок підтверджують наявність дисків речовини. І вони підтверджують швидкість.
Формування планет – не стабільний процес. Це метушня.
Міжзоряна хмара стискається в диск приблизно за мільйон років. Але тверді частки не чекають. Вони осідають на середню площину. Швидко.
Для частки розміром 1 мікрон осідання займає 100 000 років. Для гальки розміром 1 см? Усього 10 років.
У міру того, як середня площина стає щільнішою, зіткнення відбуваються частіше. Зростання пришвидшується. Гравітаційні поля посилюються. Математика жорстока, але ефективна. Об’єкти діаметром 10 кілометрів – планетезималі, будівельні блоки світів – формуються всього за 1000 років.
Ми залишаємося з Всесвітом, який будує світи на мить косичного ока, навіть якщо ми все ще з’ясовуємо, як саме підходять одна до одної деталі. Диск стискується. Температура зростає. Лід утворюється. І десь у цьому хаосі планета починає збиратися сама в себе.
Хаос пізньої стадії формування планет
Акреція не припиняється, коли планета досягає свого кінцевого розміру. Вона продовжується. І стає дедалі бурхливішою. Енергії, що виділяється при цих пізніх зіткненнях, достатньо, щоб випарувати породу та розплавити цілі кори. Початковий конденсований матеріал, з якого все почалося, повністю перемішується.
Теоретичні моделі припускають, що разом із планетами, які ми сьогодні бачимо, сформувалися кілька місячних і марсіанських за розміром тіл — планетарних ембріонів. Коли ці гіганти стикалися з планетами, що зростали, результати виявлялися хаотичними. Ймовірно, саме тому Меркурій має таку аномально високу щільність. Або чому Венера обертається тому так повільно. Земля також не уникла цього. Ембріон розміром з Марс врізався в нашу планету, викинувши уламки, які зрештою злиплися до Місяця. Дрібніші удари по Марсу витончили його атмосферу до того тонкого стану, який ми спостерігаємо зараз.
Час не надто допомагав з охолодженням. Ізотопи від короткоживучих радіоактивних елементів у зразках місячного ґрунту та метеоритах говорять нам про те, що внутрішні планети та Місяць завершили формування протягом 50 мільйонів років після колапсу сонячної туманності. Але на прибирання пішло більше часу. Інтенсивне бомбардування уламками, що залишилися, тривало ще 600 мільйонів років. Ці пізні зіткнення додали дуже мало ваги. Вони лише вичертили поверхню шрамами.
Як зовнішні планети захопили свої супутники
Те саме правило акреції діяло і у зовнішньому напрямку. Але тут інгредієнти були іншими. Крижані планеті зималі побудували об’єкти масою вдесятеро більше земної. Ця маса була достатньою, щоб притягувати навколишній газ та пил із сонячної туманності. Планети виросли настільки великими, що їхній склад відбивав склад Сонця: переважно водень і гелій.
Кожна гігантська планета розробила свій власний міні-диск, субтуманність. Цей диск мав формування регулярних супутників. Ці місяці мають кругові, екваторіальні орбіти, що збігаються із напрямком обертання планети. Вони народились із диска.
Нерегулярні супутники – це зовсім інша історія. Вони мають витягнуті, похилі чи ретроградні орбіти. Вони не народилися у субтуманності. Вони були захоплені. Ці об’єкти спочатку оберталися навколо Сонця, поки гравітація планети їх не схопила. Тритон Нептуна та Феба Сатурна є класичними прикладами. Кожна гігантська планета має як мінімум один захоплений супутник у її свиті.
Галілеєві супутники Юпітера демонструють патерн густини, який відображає загальну структуру Сонячної системи. Іо та Європа знаходяться близько і є кам’янистими. Ганімед та Каллісто знаходяться далі і наполовину складаються з льоду. Чому? Ранній Юпітер був досить гарячим, щоб запобігти конденсації льоду поблизу орбіти Іо. Градієнт температури диктував склад.
Залишки: Астероїди та комети
Щойно більшість матерії злиплася в окремі об’єкти, сонячний вітер посилився. Він видув газ і пил із системи, що залишився. Ми спостерігаємо такі викиди навколо молодих зірок і сьогодні. Більші уламки залишилися.
Швидке зростання Юпітера створило розрив між собою та Марсом. Він запобіг формуванню планети там. Цей розрив є поясом астероїдів. Там мешкають тисячі об’єктів, але їхня загальна маса становить менше однієї третини маси Місяця. Метеорити Землі походять переважно з цих астероїдів. Вони є капсулами часу, що пропонують підказки про умови ранньої туманності.
Далі, крижані ядра комет є планетезималі, які сформувалися в холоді. Більшість із них крихітні. Хірон, об’єкт із групи кентаврів, має ширину близько 200 км. Він поводиться як комета, хоча раніше класифікувався як астероїд. Плутон та Еріда, у поясі Койпера, набагато більше.
Більшість об’єктів поясу Койпера сформувалися дома. Але розрахунки показують, що мільярди крижаних планетезималей були викинуті гігантськими планетами в міру їх міграції. Ці вигнані об’єкти стали хмарою Оорта.
Чому газові гіганти носять кільця
Формування кільцевих систем є наслідком еволюції планет. Вони не є стародавніми реліктами із сонячної туманності. Це тимчасові, перероблені уламки.
Супутник може підійти надто близько до своєї планети. Якщо він перетинає межу Роша, то приливні сили розривають його на частини. Фрагменти не падають на поверхню. Вони розподіляються на диск. Цей диск стає кільцем. Альтернативно, комета або астероїд можуть бути захоплені та розбиті ударами. Уламки подрібнюються в пил та камінь.
Кільця Сатурна масивні. Вони можуть бути залишками знищеного супутника. Або це може бути матеріал, який ніколи не акрекувався у супутник через припливні сили. Уран та Нептун мають більш тонкі, темні кільця. Їхній матеріал, ймовірно, старший, темніший і більш перероблений.
Кільця динамічні. Вони змінюються. Випромінювання та удари мікрометеороїдів змінюють їх склад. Гравітаційні хвилі всередині кілець можуть створювати розриви чи згустки. Супутники можуть “пасти” краї кілець, роблячи їх чіткими. Без цієї постійної взаємодії кільця розсіялися б або знову акрецірувались у супутники. Вони є ознакою активної планетної механіки, а чи не статичної історії.
Сонячна система, яку ми бачимо сьогодні, це кладовище зіткнень. Кожна особливість, від щільності Меркурія до кіл Сатурна, є шрамом або залишком того хаотичного дитинства.
Кільця – це не просто гарна прикраса. Це фізичний доказ суворих правил гравітації.
Ми бачимо їх навколо Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна. Кожне кільце знаходиться всередині певної межі, яка називається межею Роша. Ця назва дано на честь французького математика ХІХ століття Едуара Роша. Він пояснив, чому речовина залишається у вигляді пилу, а чи не злипається у супутники.
Усередині цієї межі два невеликі камені не можуть склеїтися. Чому? Тому що гравітація планети діє на них по-різному. Одна сторона каменю зазнає сильнішого тяжіння, ніж інша. Планета перемагає. Камінь руйнується. Він може акрецировать. Він може рости.
Гравітаційне поле планети діє також як змішувач. Воно розподіляє частки. Воно мінімізує випадкові зіткнення. Відсутність зіткнень означає відсутність зростання. Залишається лише плоский диск уламків.
Таємниця походження кілець
Це пояснює, де знаходяться кільця. Але це не пояснює, коли вони з’явилися. Або як вони утримуються у радіальному напрямку.
Відповідь залежить від планети.
Для Юпітера система стабільна. Це баланс між народженням та смертю. Внутрішні місяця постійно виділяють частки. Свіжий пил замінює старий. Це конвеєр уламків.
Сатурн складніший. Вчені розділилися у думках. Одна група вважає, що кільця давні. Залишки від часу формування планети. Інша група стверджує, що вони молоді. Можливо, їм лише кілька сотень мільйонів років. Це мить у космічному часі.
У будь-якому випадку, джерелом, ймовірно, є крижані планетезималі. Ці потужні залишки стикалися. Вони розбивалися. Утворені фрагменти — це дрібні частинки, які ми бачимо сьогодні.
Розв’язання загадки кутового моменту
Є ще одна проблема, яка ставила в глухий кут ранніх астрономів. Загадка кутового моменту.
Кант та Лаплас намагалися вирішити її. Не вдалось. У чому проблема? Сонце має більшу частину маси. Планети мають більшу частину обертання. Це навпаки. Очікувалося б, що потужне тіло утримує момент імпульсу.
Сучасна астрономія вирішує цю проблему, вивчаючи зірки. Дійсно уважно вивчаючи їх.
Зірки, трохи масивніші, ніж наше Сонце, обертаються повільно. Не так швидко, як передбачають фізичні моделі. Вони мають дефіцит. Нестача обертання. Найменші зірки демонструють ту саму проблему.
Винуватцем є сонячний вітер.
Сонце має зовнішню атмосферу. Вона постійно розширюється у космос. Це не просто порожнє повітря, яке відноситься геть. Він несе масу. Він несе момент імпульсу.
Зірки з великою масою не роблять цього. Вони не мають сильних зоряних вітрів. Вони продовжують обертатися. Сонце робить це. Воно втрачає масу у космос. Ця втрата уповільнює його обертання.
Це відбувалося протягом 4,6 мільярда років. Сонце сповільнилося. Планети зберегли обертання, успадковане від первісної туманності. Сонце віддало свій момент імпульсу порожнечі. Планети зберегли свій. Ось чому ми обертаємося навколо зірки, що повільно обертається.
Пошук екзопланет – це не просто пошук сусідів. Це спроба подолати ізоляцію нашої Сонячної системи. Десятиліттями астрономи діяли в умовах серйозного обмеження. Вони мали лише одну точку даних. Земля.
Як насправді формується планетна система? Ми могли лише ворожити, дивлячись на власний «задній двір». Виявлення планет навколо інших зірок змінює все. Це усуває упередженість одиничного прикладу. Це перетворює спекуляції на науку.
Але виявлення цих світів утруднене. Ці об’єкти крихітні. Вони тьмяні. І вони ховаються в сліпучому сяйві своїх батьківських зірок. Пряма зйомка із наземних телескопів? Майже неможливо. Сяйво просто «засвічує» їх.
Тому астрономи виявили винахідливість. Вони почали шукати похитування.
Невидима тяга
Планети не просто висять у просторі. Вони тягнуть.
Масивна планета приваблює свою зірку. Це створює невелике гравітаційне похитування у русі зірки крізь простір. Астрономи відстежували ці тонкі усунення. Вони також спостерігали за періодичними змінами випромінювання зірки. Планета тягне зірку до нас, то від нас. Це зміщення змінює світло, яке ми бачимо.
Існував ще один прийом. Транзити.
Коли планета проходить перед своєю зіркою, вона блокує крихітну частку світла. Зірка меркне. Усього на мить. Вимірювання цього падіння яскравості стало основним методом виявлення.
Протягом багатьох років ці опосередковані методи були єдиним способом входу. Пряме зображення залишалося святим Граалем.
Перші виявлення
Початок 1990-х приніс перші реальні докази. Астрономи виявили три тіла, що обертаються навколо PSR B1257+12.
То була не зірка, схожа на Сонце. То був пульсар. Нейтронна зірка, що швидко обертається. Мертва, щільна та обертова з величезною швидкістю. Виявлення планет там стало шоком. Це вказувало на те, що формування планет може відбуватися навіть у суворих наслідках наднової.
Потім відбувся переломний момент. 1995 рік.
Навколо 51 Пегаса було оголошено виявленою масивною планетою. Це було інакше. То була зірка, схожа на Сонце. Зірка головної послідовності. Правильний сонячний аналог.
Відкриття підтвердило, що гігантські планети існують поза нашою системою. До кінця 1996 список поповнювався. Але ж прямі фотографії? Все ще були недосяжні.
Пройшло до 2005 року, перш ніж астрономам удалося зробити першу пряму фотографію об’єкта, який, як виявилося, був екзопланетою. Десятиліття пошуків. Десятиліття непрямих висновків. Зрештою, візуальне підтвердження.
Гарячі юпітери та порушені правила
Зараз відомо про сотні планетних систем. Дані надходять потоком. І ці дані дивні.
Багато цих систем містять гігантські планети. Юпітери. Але вони не там, де ми очікували їх побачити. Вони обертаються ближче до своїх зірок, ніж Меркурій до нашого Сонця.
Це проблема.
Стандартна теорія формування свідчить, що гігантські планети мають формуватися далеко. Досить далеко, щоб там було холодно. Достатньо холодно, щоб лід конденсувався. Лід забезпечує твердий матеріал, необхідний створення масивного ядра. Якщо надто спекотно, немає льоду. Нема гігантської планети.
То як утворилися ці гарячі юпітери?
Одна з теорій міграція.
Можливо вони сформувалися далеко, де було холодно. Потім вони перейшли. Планета взаємодіє з газовим та пиловим диском, що оточує зірку. Приливні сили затягують планету усередину. Вона повільно спіраллю наближається до зірки. Вона зупиняється, коли матеріал диска вичерпується. Зірка поглинає її.
Комп’ютерні моделі підтримують цю теорію. Але чи це повна істина? Астрономи залишаються розділеними у думках.
Дилема лінії снігу
Наша власна система також містить підказки.
Зонд «Галілео» поринув у атмосферу Юпітера. Він виміряв вміст аргону та молекулярного азоту. Рівень збагачення виявився невірним. Він не відповідав високим температурам, що очікуються поблизу «лінії снігу» у період формування.
Лінія снігу – це кордон, де леткі сполуки замерзають у кригу. Ми вважали, що вона є критично важливою для формування гігантських планет. Без неї виходять лише кам’янисті планети.
Дані про Юпітера говорять про інше.
Можливо, лінія снігу не була такою важливою, як ми думали. Або, можливо, хронологія неправильна. Можливо, крига сформувалася дуже рано. Коли середня площина туманності мала температуру нижче 25 К.
За такої температури температура снігу знаходилася б набагато ближче до Сонця, ніж зараз знаходиться Юпітер. Але таких близьких відстанях був достатньо матерії для побудови гігантської планети.
Таким чином, крига сформувалася далеко. Але ж умови були іншими. Холодне. Раніше.
Що далі
Перше десятиліття відкриттів екзопланет домінували гігантами. Маси, подібні або перевищують масу Юпітера. Їх легко знайти. Велика маса означає велике похитування. Велика маса означає глибші транзити.
Найменші планети знайти складніше.
У міру покращення методів виявлення астрономи будуть знаходити дрібніші світи. Планети розміром із Землю. Кам’янисті.
Ці дрібні знахідки заповнять прогалини. Вони покажуть нам, як формуються системи, подібні до нашої. Як вони еволюціонують? Як часто ми зустрічаємось.
Похитування відкриє більше. Ослаблення яскравості виявить більше. Сяйво зрештою втратить свою силу.
Ми досі вивчаємо правила. І правила продовжують змінюватись.
