Если Вселенная трехмерна, почему Солнечная система плоская? Как гравитация формирует архитектуру звездных систем

Любая модель Солнечной системы, будь то школьная схема или компьютерная симуляция NASA, показывает одну особенность: орбиты всех крупных небесных тел лежат практически в одной плоскости. Земля, Марс, Юпитер и остальные планеты движутся так, словно они закреплены на едином невидимом диске. Отклонения от этой плоскости минимальны и составляют всего несколько градусов.

Это наблюдение противоречит с интуитивным пониманием пространства. Космос трехмерен. Он простирается одинаково во всех направлениях. Гравитация сферична — она притягивает объекты к центру масс независимо от их положения. Логично было бы предположить, что планеты должны вращаться вокруг звезды хаотичным роем, пересекаясь под разными углами, как, например, электроны в классической модели атома. Однако этого не происходит.

Возникает закономерный вопрос: чем обусловлена такая «плоская» архитектура? И если мы мысленно проведем вектор перпендикулярно орбите Земли — в то пространство, которое можно условно назвать «низом» или «верхом» Солнечной системы, — что мы там обнаружим?

Проблема навигации в трехмерном пространстве

Прежде чем говорить о строении космоса, необходимо определить систему координат. На поверхности Земли понятия «верх» и «низ» диктуются гравитацией. Вектор «вниз» всегда направлен к центру планеты. Для наблюдателя в Северном полушарии и наблюдателя в Австралии эти векторы будут направлены в противоположные стороны относительно друг друга, но к одной точке — ядру Земли.

В открытом космосе, вдали от массивных тел, гравитационного «низа» не существует. Чтобы ориентироваться в пространстве, астрономы ввели понятие плоскости эклиптики. Это условная плоскость, в которой Земля вращается вокруг Солнца. Она служит базовым уровнем, своего рода «экватором» нашей звездной системы.

Согласно международной конвенции, северным полюсом системы считается та сторона, откуда вращение планет видится происходящим против часовой стрелки. Соответственно, пространство, расположенное с противоположной стороны — у южного полюса Солнца, — условно можно назвать «низом».

Если отправить исследовательский зонд строго перпендикулярно плоскости эклиптики, он очень быстро покинет зону, насыщенную материей. Основная масса вещества Солнечной системы — планеты, спутники, пояса астероидов — сконцентрирована в относительно тонком диске. За его пределами плотность материи падает практически до нуля. Чтобы понять, почему природа игнорирует третье измерение, необходимо обратиться к процессу формирования звезд.

Физика гравитационного коллапса

Формирование плоских структур из объемных облаков газа — это универсальный механизм, диктуемый законами классической механики. Он работает не только для Солнечной системы, но и для аккреционных дисков вокруг черных дыр, и для колец Сатурна, и для спиральных галактик.

Примерно 4,5 миллиарда лет назад на месте нашей системы находилась гигантская молекулярная туманность — облако, состоящее из водорода, гелия и космической пыли. Это образование имело неправильную, объемную форму и простиралось на огромные расстояния. Частицы газа в нем двигались хаотично, но у всего облака в целом был небольшой суммарный момент вращения.

Когда под действием собственной гравитации (или внешнего возмущения) облако начало сжиматься, вступили в силу два физических закона:

1. Закон сохранения момента импульса. По мере того как облако уменьшалось в размерах, скорость его вращения возрастала. Это фундаментальное свойство вращающихся систем: при уменьшении радиуса линейная скорость должна расти, чтобы момент импульса оставался неизменным.
2. Диссипация энергии при столкновениях. Это ключевой фактор сплющивания. В сжимающемся облаке частицы постоянно сталкивались друг с другом.

Рассмотрим движение частиц в трех измерениях. У каждой частицы есть вектор скорости. Его можно разложить на две составляющие:

• Вертикальная составляющая (движение перпендикулярно оси вращения облака).
• Горизонтальная составляющая (вращение вокруг центра масс).

Частицы, движущиеся «вверх» и «вниз», неизбежно пересекают центральную плоскость облака, где плотность вещества выше. Там происходят неупругие столкновения. При ударе частицы, летящей «сверху», о частицу, летящую «снизу», их вертикальные импульсы взаимно гасятся. Энергия этого движения переходит в тепло и излучается в пространство.

Однако горизонтальное вращение погасить невозможно. Центробежная сила препятствует падению вещества в центр, на формирующуюся протозвезду. Вращение поддерживает диск в растянутом состоянии, не давая ему схлопнуться в точку.

В результате миллионы лет эволюции привели к тому, что хаотичное трехмерное облако потеряло свое вертикальное измерение. Вертикальные движения затухли, а вращательное движение сохранилось. Облако превратилось в плоский протопланетный диск, из которого впоследствии сформировались планеты. Поскольку они возникли внутри уже плоского диска, их орбиты сохранили эту ориентацию до наших дней.

Иерархия космических плоскостей

Можно было бы предположить, что вся Вселенная организована по этому принципу и представляет собой единую плоскость. Однако наблюдения показывают, что это не так. Универсальной ориентации в космосе не существует. Порядок наблюдается только внутри гравитационно связанных систем, но между этими системами царит хаос.

Если мы расширим масштаб обзора за пределы Солнечной системы, мы увидим следующую картину:

1. Млечный Путь. Наша Галактика — это тоже плоский диск, сформированный по тем же законам гравитационного сжатия. В ней насчитывается от 100 до 400 миллиардов звезд. Однако плоскость Солнечной системы не совпадает с плоскостью Галактики. Мы наклонены относительно галактического диска под углом примерно 60 градусов. Солнечная система движется сквозь Галактику «на боку».
2. Сверхгалактическая плоскость. Млечный Путь входит в Местную группу галактик, которая, в свою очередь, является частью сверхскопления Девы. Эти гигантские структуры тоже имеют тенденцию выстраиваться вдоль определенных плоскостей (стен и нитей крупномасштабной структуры Вселенной). Плоскость нашей Галактики наклонена к плоскости Местного сверхскопления под углом около 84,5 градуса — то есть практически перпендикулярно.

Такой разброс углов объясняется тем, что каждая система (звездная или галактическая) формировалась изолированно из своего собственного газового облака. Начальный вектор вращения каждого такого облака был случайным. Поэтому во Вселенной нет единого «пола» или «потолка».

Что находится в геометрическом «низу»?

Возвращаясь к исходному вопросу: что находится под Землей, если смотреть перпендикулярно эклиптике?

С точки зрения астрофизики, направление «вниз» (к южному полюсу эклиптики) является наименее препятствующим для наблюдения дальнего космоса. Поскольку основная пыль и материя Солнечной системы сосредоточены в плоскости орбит, вид перпендикулярно этой плоскости наиболее чист.

Если двигаться в этом направлении:

1. Сначала вы преодолеете разреженную зону Солнечной системы, где практически отсутствуют крупные небесные тела.
2. Затем вы войдете в межзвездное пространство. Там вы встретите другие звезды, но их планетные системы будут ориентированы совершенно иначе. Для гипотетического наблюдателя с планеты у звезды Альфа Центавра наша «плоская» Солнечная система может выглядеть как диагональный диск.
3. На еще больших расстояниях вы обнаружите другие галактики, каждая из которых имеет свой собственный угол наклона.

Резюме

Отсутствие материи «внизу» и «вверху» от Земли — это закономерный результат эволюции вращающихся систем. Гравитация и время неизбежно превращают объемные облака газа в плоские диски.

Однако это правило действует только локально. Глобальная структура Вселенной не имеет выделенных направлений. Понятие «низ» теряет физический смысл, как только мы выходим за пределы гравитационного влияния конкретного тела. Вселенная — это совокупность миллиардов плоскостей, повернутых друг к другу под случайными углами, где каждый наблюдатель находится в центре собственной системы координат, не совпадающей ни с чьей другой.