Это вопрос, который почти всегда возникает в космогонии древних. У них не всегда было четкое представление о том, что означает «земля», но этот вопрос в какой-то момент задавался в той или иной форме почти в каждом обществе в письменной истории и в каждой культуре, известной антропологии. Формирование планет является одной из старейших проблем человеческих исследований.
Это, в то же время, также один из более новых. Спустя сто лет после того, как Исаак Ньютон открыл законы гравитации, ученые достаточно подробно изучили орбиты планет Солнечной системы, чтобы догадаться, как они туда попали.
Первая подсказка состоит в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одной плоскости. Самая эксцентричная орбита, орбита Меркурия, наклонена всего на 7 градусов. Космос трехмерен, но Солнечная система плоская, как пирог. Второй наконечник находится в форме орбиталей. Орбиты имеют овальную форму и варьируются от круглых до очень прямоугольных. Однако орбиты всех планет очень близки к круговым. Опять же, самым эксцентричным является Меркурий, но малая ось его эллиптической формы всего на 3% короче большой оси. Орбита Земли представляет собой почти полный круг. В-третьих, все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, против часовой стрелки. Если бы материя, из которой состоят планеты, вращалась вокруг Солнца случайным образом, то и орбиты были бы случайными. Однако то, что мы замечаем, является закономерностью.
Самый простой способ добиться этого образования — если планеты сформировались в диске, вращающемся вокруг молодого солнца. Кроме того, поскольку Юпитер и Сатурн состоят в основном из газа, этот диск должен был быть газовым. Диск вокруг Солнца был давно, но современная астрономия обнаружила, что эти диски вокруг молодых звезд формируются сейчас, как и ожидалось.
Таким образом, понимание формирования планет требует тщательного понимания поведения этих газовых дисков. Проблема в том, что гидродинамика, раздел физики, описывающий поведение газов и жидкостей, сложна. Не существует известного математического способа решения их уравнений без приближений. По этой причине у нас пока нет последовательной теории для описания турбулентности — явления, имеющего большое значение в физике и технике.
Однако сегодня у нас есть мощный инструмент: компьютеры. Вместо того, чтобы пытаться решить неразрешимые уравнения с помощью ручки и бумаги, мы пишем компьютерную программу, которая их решает. Решение несовершенно, но достаточно точно, чтобы понять поведение реальных систем.
Так что же было найдено? Пыль в этих дисках быстро образуется из крупинок и камушков. Однако при вращении в газе камешки подвергаются сопротивлению, заставляя их дрейфовать к звезде. Если в этом вся история, то планеты вообще не образовались бы, так как звезда потеряла всю пыль.
Затем астроном смотрит на результат и говорит: «Ну, это, должно быть, ошибка. Осмелюсь сказать, что у нас есть довольно веские доказательства существования планет. В прошлый раз, когда я проверял, я стою на одной из них».
Так чего не хватает? Как эти камешки могут превратиться в планеты?
Гравитация — очень слабый клей. Масса одного камешка недостаточна для притяжения других камешков под действием силы тяжести. Возможно, однако, если бы достаточное количество этих камешков было сосредоточено на достаточно небольшой площади пространства, общей гравитации всех камешков было бы достаточно, чтобы склеить их вместе в объекты размером с милю. При таком размере гравитации достаточно, чтобы способствовать дальнейшему росту.
Сделав знаменательное открытие всего 17 лет назад, он обнаружил, что дрейф пыли не упорядоченный, а турбулентный. Процесс получил название «неустойчивость потока» (потому что пыль «течет» через газ). В результате турбулентности некоторые потоки пыли становятся более плотными, чем в среднем. Вскоре процесс был математически смоделирован, и выяснилось, что более плотные потоки пыли действительно достигают массы астероидов: в конце концов, клея достаточно, чтобы скрепить камешки вместе.
В прошлом году и НАСА, и Национальный научный фонд дали этому обозревателю деньги на выполнение крупной программы, направленной на понимание того, как многие гидродинамические процессы, происходящие в этих газовых дисках, взаимодействуют друг с другом и с нестабильностью потока. Программа представляет собой сотрудничество пяти институтов под руководством НМГУ. На прошлой неделе все сотрудничество пошло под откос в Лас-Крусес, когда НМГУ провел международную конференцию в кампусе, цель которой заключалась в том, чтобы мы могли собраться вместе и обсудить характеристики нестабильности вещания, наблюдаемые в компьютерном моделировании.
Мы прошли долгий путь со времен «Планет, образованных дисками из газа и пыли», финала «Кости» 18-го века. Сегодня астрономы могут построить и использовать всю мощь современных компьютеров, цифровую лабораторию для изучения процессов, происходящих во время формирования планет, и сравнивать результаты с замечательными наблюдениями. Как возникла земля? Наконец, на время в истории, с НМГУ в центре внимания, мы строим научный ответ на извечный вопрос о нашем происхождении.
Владимир Лира — адъюнкт-профессор астрономии в Университете штата Нью-Мексико. С ним можно связаться по адресу wlyra@nmsu.edu или Встроить твит в Твиттере.
Еще из Star News: