Bagaimana asimetri menciptakan simetri, atau Mengapa semua planet berputar pada bidang yang sama

Bagaimana asimetri menciptakan simetri, atau Mengapa semua planet berputar pada bidang yang sama
Bagaimana asimetri menciptakan simetri, atau Mengapa semua planet berputar pada bidang yang sama
Anonim

Para ilmuwan sering mengatakan bahwa apa pun bisa terjadi di alam semesta yang luasnya tak terhingga. Namun, pengamatan, perhitungan, dan simulasi menunjukkan bahwa dalam sistem bintang, planet-planet selalu berputar mengelilingi bintang pada bidang dan arah yang sama. Kami mencari tahu mengapa ini terjadi.

tata surya
tata surya

Ketertiban memerintah di tata surya: empat planet dalam, sabuk asteroid, dan empat raksasa gas berputar mengelilingi matahari pada bidang yang sama. Dan bahkan jika Anda melampaui batas-batas ini, ternyata sabuk Kuiper juga ada di pesawat ini. Mengingat bahwa Matahari memiliki bentuk bola dan bintang-bintang muncul di ruang angkasa, di mana planet-planet berputar ke segala arah, fakta bahwa segala sesuatu di sistem kita diatur dengan cara ini tampaknya terlalu kebetulan. Selain itu, kami telah mengamati bahwa di hampir setiap sistem bintang, planet-planet berbaris dengan cara yang sama. Mari kita coba mencari tahu apa hubungannya ini.

Sampai saat ini, para ilmuwan telah menghitung orbit planet-planet dengan akurasi yang luar biasa. Mereka menemukan bahwa benda-benda langit berputar mengelilingi Matahari dalam bidang dua dimensi yang sama dengan perbedaan tidak lebih dari 7 °.

Selain itu, jika Anda menghapus dari persamaan ini Merkurius - planet yang paling dekat dengan Matahari - menjadi terlihat betapa benarnya segala sesuatu yang lain dalam hubungannya satu sama lain: penyimpangan dari bidang konstan tata surya tidak lebih dari dua derajat.

Gambar
Gambar

Selain itu, planet-planet berputar mengelilingi Matahari dengan arah yang sama dengan rotasinya pada porosnya. Seperti yang mungkin sudah Anda duga, sumbu rotasi Matahari juga berada dalam deviasi 7 ° dibandingkan dengan orbit semua planet dalam sistem.

Namun demikian, sulit untuk membayangkan bahwa semuanya menjadi seperti ini dengan sendirinya, dan bukan seseorang dari luar yang meremas semua tubuh menjadi satu sistem dan membuat mereka bergerak dalam satu bidang. Secara intuitif, orang mungkin berasumsi bahwa orbit harus diorientasikan secara acak, karena gravitasi bekerja sama di ketiga dimensi (spasial). Hal ini juga lebih mungkin untuk mengasumsikan pembentukan segerombolan potongan materi daripada kumpulan lingkaran ideal yang teratur. Faktanya adalah jika Anda bergerak sangat jauh dari Matahari - lebih jauh dari planet dan asteroid, lebih jauh dari komet Halley dan sejenisnya, bahkan melampaui sabuk Kuiper - inilah yang akan Anda lihat.

Jadi mengapa planet-planet berakhir di piringan yang sama? Mengapa mereka semua terletak di bidang yang sama, dan tidak terbang secara acak di sekitar bintang? Untuk memahami hal ini, Anda perlu kembali ke masa ketika Matahari baru mulai terbentuk dari salah satu awan gas molekuler tempat semua bintang di Semesta terbentuk.

Gambar
Gambar

Ketika awan molekul menjadi cukup besar, terikat secara gravitasi, dan cukup dingin untuk runtuh dan runtuh di bawah gravitasinya sendiri - seperti nebula Tabung (kiri atas) - ia membentuk daerah yang cukup padat di mana gugus bintang baru muncul (ditunjukkan oleh lingkaran di gambar, di sudut kanan atas).

Anda akan segera melihat bahwa nebula ini, seperti yang serupa dengannya, tidak memiliki bentuk bola yang ideal, agak memanjang secara tidak biasa. Gravitasi tidak mentolerir ketidaksempurnaan, dan karena fakta bahwa itu adalah gaya inersia yang empat kali lipat dengan setiap penurunan jarak ke objek besar hingga setengahnya, ia merasakan perbedaan kecil bahkan dalam bentuk aslinya dan secara signifikan meningkatkannya dalam waktu singkat.

Hasilnya adalah nebula pembentuk bintang dengan bentuk asimetris: bintang-bintang di dalamnya terbentuk di daerah dengan kepadatan gas tertinggi. Tetapi jika kita melihat ke dalamnya dan melihat masing-masing bintang, kita akan melihat bahwa mereka adalah bola yang hampir ideal - seperti Matahari.

Namun, karena nebula itu sendiri menjadi asimetris, maka masing-masing bintang yang terbentuk di dalamnya terbentuk dari gumpalan asimetris superpadat. Gumpalan ini runtuh di salah satu dari tiga dimensi, dan karena zat penyusun kita, atom, inti atom, dan elektron, tertarik ke dirinya sendiri dan berinteraksi ketika bertabrakan dengan zat lain, hasilnya adalah cakram materi yang memanjang. Ya, gravitasi akan menarik sebagian besar ke arah pusat piringan tempat bintang akan terbentuk, tetapi apa yang oleh para ilmuwan disebut piringan protoplanet akan terbentuk di sekitarnya. Dan berkat Teleskop Luar Angkasa Hubble, kami dapat melihat cakram ini secara langsung.

Ini adalah jenis petunjuk pertama, yang menunjukkan bahwa hasilnya akan menjadi sesuatu yang dipesan dalam satu bidang. Untuk melanjutkan ke langkah berikutnya, kita harus beralih ke simulasi, karena kita belum ada cukup lama dan tidak punya waktu untuk mengamati fenomena ini - dan dibutuhkan sekitar satu juta tahun - dalam sistem bintang muda.

Setelah piringan protoplanet "diratakan" dalam satu dimensi, ia akan terus menyusut dengan semakin banyak materi yang memasuki pusatnya. Namun, terlepas dari kenyataan bahwa sebagian besar materi akan terkonsentrasi di dalamnya, sebagian besar gas dan debu akan dilepaskan ke orbit berputar yang stabil di piringan ini.

Gambar
Gambar

Mengapa? Ada kuantitas fisik yang harus dilestarikan: momentum sudut, yang memberi tahu kita berapa banyak seluruh sistem berputar - gas, debu, bintang, dan yang lainnya. Cara kerja momentum sudut dan bagaimana ia didistribusikan secara merata di antara semua partikel dalam sistem, pada kenyataannya, menunjukkan bahwa semua yang ada di piringan harus bergerak, secara kasar, dalam satu arah - searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Seiring waktu, piringan ini akan mencapai ukuran dan kepadatan yang stabil, dan kemudian ketidakstabilan gravitasi kecil akan mulai mengubah ketidakstabilan ini menjadi planet.

Tentu saja, ada perbedaan kecil antara bagian-bagian dari disk, serta perbedaan kecil dalam kondisi awal. Bintang yang terbentuk di tengah bukanlah satu titik, melainkan objek yang diperpanjang - berdiameter sekitar satu juta kilometer. Ketika Anda menambahkan semua bagian ini bersama-sama, Anda tidak akan mendapatkan bidang yang ideal, tetapi sesuatu yang sangat dekat dengannya akan keluar. Faktanya, kami baru-baru ini menemukan sistem planet pertama di luar tata surya, di mana kami dapat mengamati proses pembentukan planet-planet muda di bidang yang sama.

Gambar
Gambar

Bintang muda HL Tauri, yang terletak sekitar 450 tahun cahaya dari Bumi, dikelilingi oleh piringan protoplanet. Bintang itu sendiri diperkirakan berusia sekitar satu juta tahun. Jelas, ini adalah disk di mana semuanya berada di bidang yang sama, tetapi ada "pecahan" gelap di dalamnya. Masing-masing jeda ini sesuai dengan planet muda yang telah menarik semua materi di sekitarnya. Belum diketahui mana di antara mereka yang pada akhirnya akan bergabung, mana yang akan dikeluarkan dari piringan, dan mana yang akan bergerak di dalamnya dan diserap oleh bintang induknya. Sementara itu, kami memiliki kesempatan untuk mengamati titik balik dalam pengembangan sistem bintang muda. Dan meskipun para ilmuwan sebelumnya mampu mengamati planet-planet muda, tahap ini tidak mungkin dilakukan. Semua tahap pembentukan sistem bintang luar biasa dan sesuai dengan cerita yang sama.

Tapi mengapa planet-planet itu berada di bidang yang sama? Karena mereka terbentuk dari awan gas asimetris, yang pertama runtuh ke arah terpendek, kemudian zat "merata" dan "menempel" pada dirinya sendiri, dan kemudian berkontraksi menuju pusat. Tapi bukannya jatuh padanya, itu mulai berputar di sekelilingnya. Akibatnya, planet-planet terbentuk dari ketidakhomogenan dalam piringan muda ini, yang terus berotasi pada bidang yang sama dengan perbedaan beberapa derajat.

Ini adalah salah satu kasus di mana pengamatan dan simulasi berdasarkan perhitungan teoretis secara mengejutkan konsisten satu sama lain. Jadi, di mana pun Anda berada di Semesta, setiap planet di sekitar bintang mana pun akan selalu berotasi pada bidang yang sama.

Popular dengan topik