Каждый живет в своем собственном мире. Но если ты посмотришь на звездное небо, то увидишь, что все эти разные миры соединяются в созвездия, солнечные системы, галактики.
љ П. Коэльо, "Вероника решает умереть".
Детский сад - это не только необходимое для мамаш, особенно одиноких, условие выхода из декретного отпуска. Это не менее необходимый для здоровой социализации их детей этап. Трудно вливаться в человеческий коллектив, когда его формирование начиналось в твое отсутствие, и правила поведения в нем не впитываются мозгами в процессе их развития.
У звездных кошек есть свои детские сады. Конечно, планеты, составляющие их группы, сложно назвать котятами или недооформившимися личностями, но все же массы их "я" недостаточно для становления полноценной звездой, пусть и карликовой (т.е. для начала термоядерных реакций внутри). Знакомая ситуация, согласитесь? В человеческом обществе происходит то же самое. Однако это не значит, что менее яркие и весомые персонажи, чем светила, не заслуживают к себе внимания. Каждый из них по-своему интересен и индивидуален, а вместе они формируют особенный климат внутри планетарной системы. Да и численность их по теоретическим подсчетам куда больше, чем у ярких космических кошек (что тоже очень напоминает нашу с вами жизнь). Поэтому детсадовская группа планет заслуживает не меньшего внимания, чем их звездные воспитатели.
Каждый карапуз планетарной детсадовской группы вращается по орбите вокруг своей звезды-воспитательницы (или ее остатков - пульсаров) и достаточно упитан для того, чтобы быть шарообразным под действием сил собственной гравитации, но недостаточно для начала термоядерных реакций внутри себя. Их темперамент достаточно дерзкий, чтобы разогнать приставучие планетозимали с окрестностей своей орбиты.
Начнем разбираться с понятиями "планета" и "планетозимали" с вопроса о формировании планет, которое определяет свойства этих небесных тел.
Протозвезда (звезда на первом этапе своей эволюции) формируется звездной колыбели (облака молекулярного газа, т.е. такого облака, чья плотность и размер позволяют образоваться в нем молекулам водорода H2). Вещество в этих облаках распределено не равномерно, и некоторые области имеют большую плотность, чем другие. Когда эти области стягиваются друг к другу и достигают критических массы и плотности, происходит гравитационный коллапс, в результате которого рождается протозвезда. Изначальные движения вещества этого облака меняют свое направление в соответствии с чистым угловым моментом или моментом импульса формирующейся звезды.
Это физическая величина, характеризующая количество вращательного движения. Такое движение - это вид механического движения, при котором материальная точка описывает окружность, и зависящая от количества массы, ее распределению в пространстве и угловой скорости. Угловая скорость - это векторная величина, характеризующая скорость и направление вращения материальной точки или тела относительно центра вращения (проще говоря - под каким углом и как быстро шар вращается вокруг своего центра).
В силу сохранения момента импульса (он всегда неизменен для любой неподвижной точки замкнутой системы, т.е. протозвезды в данном случае) увеличивается угловая скорость всей туманности. Это приводит к тому, что оставшееся на периферии вещество под действием центробежной силы, распределяется в экваториальной плоскости протозвезды, также называемой протопланетным диском. В нем и формируются карапузы космического детского сада.
Но однозначного понимания о следующих этапах формирования планет на данный момент не существует. Это связано со сложностью их обнаружения и дальнейшего изучения: сочетание собственных малых размеров и светимости с близким расположением к большим и ярким родительским звездам делают эти задачи сложно осуществимыми даже с современным уровнем техники. В астрономии существует два основных сценария, по которым происходит формирование планет после образования протопланетного диска вокруг протозвезды.
Первый из них - аккреционный. Аккреция - это процесс приращения массы небесным телом за путем гравитационного притяжения материи. Вначале из пыли формируются первые планетозимали. Это небольшое небесное тело на орбите вокруг протозвезды, образующееся либо за счет приращения более мелких тел в результате их парного столкновения друг с другом, либо в ходе гравитационного коллапса средней части протопланетного газопылевого диска. Таким образом, аккреционный сценарий формирования планеты подразумевает либо столкновение приставучих дурачков друг с другом и объединение в большого дурака, либо коллапс газопылевого облака. Основная проблема этого сценария - т.н. проблема "метрового барьера": любое тело в газопылевом диске постепенно сокращает радиус своей орбиты под действием гравитации протозвезды, и тело с размером меньше одного метра сгорит раньше, чем наберет достаточную массу. Кроме того, такие мелкие тела при столкновении не объединяются, а распадаются на множество более мелких тел. Вторая проблема этого сценария - это сам механизм роста массы. Согласно общепринятому предположению, размер планетозималей составляет порядка 10-100км, однако такой вес приводит к снижению скорости планетозималей, а, значит, скорость формирования ядер тоже снижается. Для планет-гигантов (о них мы подробней поговорим в следующих статьях) это становится проблемой, потому что ядро просто не успевает сформироваться до того, как протопланетный диск рассеется. А значит и строительный материал кончится.
Второй сценарий формирования планет предполагает его в ходе гравитационного коллапса и называется неустойчивостью Тумре, которая описывает распад протопланетного диска на отдельные кольца в случае его недостаточной массы. Проблема этого сценария заключается в том, что для формирования планет необходим только сверхмассивный протопланетный диск.
Далее нам предстоит втереться в доверие к планетарной детсадовской группе и изучить, какими свойствами должно обладать небесное тело, чтобы быть достойным звания "планета". Это и особенности его строения, и такие свойства, как магнетизм и наличие атмосферы, и движение по орбите вокруг родительской звезды; рассмотрим строение самой детсадовской группы - планетарной системы - и разберемся с ее участниками: видами планет и - коротко - с другими небесными телами. И начнем мы с движения планеты по орбите вокруг родительской звезды.
Все детсадовцы вращаются вокруг воспитательницы-звезды. Как правило, направление их вращения совпадает с направлением осевого вращения звезды. В случае Солнечной системы все планеты вращаются против часовой стрелки (если смотреть с северного полюса Солнца), однако иногда планеты вращаются в противоположном осевому вращению родительской звезды направлении (как WASP-17b).
Период, за который планета обращается вокруг звезды, называется сидерическим периодом или просто годом. Года некоторых планет могут быть намного длиннее земных. Это связанно с тем, что продолжительность сидерического периода зависит от удаленности планеты от звезды: чем дальше они друг от друга, тем большее расстояние нужно пройти планете и тем ниже ее скорость, т.к. гравитационное притяжение родительской звезды ослабевает с расстоянием.
Никакая орбита не является круглой. Все они имеют эллиптическую форму. В связи с этим расстояние от планеты до звезды меняется в течение сидерического периода. Точку орбиты, где планета расположена ближе всего к звезде, называют периастром (в Солнечной системе - перигелием), самая же дальняя точка орбиты называется апоастром (в Солнечной системе - афелием). В периастре планета приближается к светилу, поэтому потенциальная энергия их гравитационного взаимодействия переходит в кинетическую (подобно тому, как брошенный вверх мячик ускоряется при приближении к земле). Обратный процесс характерен для апоастра (подкинутый мячик замедляется на максимальном удалении от земли).
Орбита любой планеты определяется несколькими элементами.
Первый из них - эксцентриситет - характеризует вытянутость орбиты. Его значения могут распределяться от 0 до 1. Орбиты комет, например, очень вытянутые и их эксцентриситет близок к 1, а орбиты планет Солнечной системы почти круглые и их эксцентриситет стремится к 0.
Второй - это Большая полуось - половина наибольшего диаметра орбиты. Она не равна расстоянию в апоастре, т.к. звезда всегда находится в одном из фокусов орбиты планеты, а не точно в центре (т.е. смещена к одному из краев орбиты).
Третий - это наклонение, или угол между плоскостью орбиты планеты и плоскостью отсчета (базовой плоскостью). В Солнечной системе наклонение отсчитывают от плоскости орбиты Земли (плоскости эклиптики). Для экзопланет (планет, не входящих в Солнечную систему) наклонение измеряют относительно небесной плоскости, которая перпендикулярна лучу зрения земного наблюдателя.
Планеты не только "играют в мяч" со звездой-воспитательницей, вращаясь по орбите вокруг нее, но и танцуют одновременно с этим, вращаясь вокруг своей оси. Период вращения планеты вокруг оси называется сутками. Большинство планет Солнечной системы вращаются вокруг себя в том же направлении, что и вокруг Солнца (против часовой стрелки, если смотреть с Северного полюса Солнца). Исключением являются Венера и Уран. Наклон осевого вращения определяется на стадии формирования планеты индивидуальными угловыми моментами аккрецируемых объектов. Сильный удар также может повлиять на него.
Наконец, любой детсадовец планетарной группы обладает чистой от иных объектов (за исключением спутников) орбитой. В процессе своего формирования он либо вобрал их в себя путем аккреции, либо изгнал прочь, будучи достаточно массивным.
Сегодня мы познакомились с планетарной детсадовской группой и начали знакомиться с характерами и свойствами карапузов, в нее входящих. Однако дело к вечеру, и малышам хочется спать. Да и автору статьи тоже. Читатели, впрочем, сами вряд ли откажутся от отдыха. Поэтому продолжим разговор о планетах в следующей статье!