Les scientifiques disent souvent que tout peut arriver dans un univers infiniment grand. Or, les observations, calculs et simulations montrent que dans les systèmes stellaires, les planètes tournent toujours autour de l'étoile dans le même plan et dans la même direction. Nous découvrons pourquoi cela se produit.
L'ordre règne dans le système solaire: quatre planètes intérieures, une ceinture d'astéroïdes et quatre géantes gazeuses tournent autour du soleil dans un même plan. Et même si vous dépassez ces limites, il s'avère que la ceinture de Kuiper est également dans ce plan. Considérant que le Soleil a une forme sphérique et que des étoiles apparaissent dans l'espace, autour duquel les planètes tournent dans n'importe quelle direction, le fait que tout dans notre système soit agencé de cette manière semble trop une coïncidence. De plus, nous avons observé que dans presque tous les systèmes stellaires, les planètes s'alignent de la même manière. Essayons de comprendre à quoi cela est lié.
À ce jour, les scientifiques ont calculé les orbites des planètes avec une précision étonnante. Ils ont découvert que les corps célestes tournent autour du Soleil dans le même plan bidimensionnel avec une différence ne dépassant pas 7 °.
De plus, si vous retirez de cette équation Mercure - la planète la plus proche du Soleil - vous remarquerez à quel point tout le reste est ordonné les uns par rapport aux autres: les écarts par rapport au plan constant du système solaire ne dépassent pas deux degrés.
De plus, les planètes tournent autour du Soleil dans la même direction dans laquelle il tourne autour de son axe. Comme vous l'avez peut-être deviné, l'axe de rotation du Soleil est également à moins de 7 ° de déviation par rapport aux orbites de toutes les planètes du système.
Néanmoins, il est difficile d'imaginer que tout s'est passé de cette façon tout seul, et que personne de l'extérieur n'a pressé tous les corps dans un seul système et les a fait se déplacer dans un même plan. Intuitivement, on pourrait supposer que les orbites doivent être orientées de manière aléatoire, car la gravité fonctionne de la même manière dans les trois dimensions (spatiales). Il est également plus susceptible de supposer la formation d'un essaim de fragments de matière qu'un ensemble ordonné de cercles idéaux. Le fait est que si vous vous déplacez très loin du Soleil - plus loin que les planètes et les astéroïdes, plus loin que la comète de Halley et autres, allez même au-delà de la ceinture de Kuiper - c'est exactement ce que vous verrez.
Alors pourquoi les planètes se sont-elles retrouvées dans le même disque ? Pourquoi sont-ils tous situés dans le même plan, et ne volent-ils pas au hasard autour de l'étoile ? Pour comprendre cela, il faut remonter à l'époque où le Soleil commençait tout juste à se former à partir de l'un des nuages de gaz moléculaires à partir desquels toutes les étoiles de l'Univers sont formées.
Lorsqu'un nuage moléculaire devient suffisamment massif, lié par gravité et suffisamment froid pour s'effondrer et s'effondrer sous l'effet de sa propre gravité - comme la nébuleuse du Tube (en haut à gauche) - il forme des régions suffisamment denses dans lesquelles de nouveaux amas d'étoiles apparaissent (indiqués par les cercles dans le photo, dans le coin supérieur droit).
Vous remarquerez immédiatement que cette nébuleuse, comme toute autre nébuleuse, n'a pas une forme sphérique idéale, elle est plutôt anormalement allongée. La gravité ne tolère pas les imperfections, et du fait qu'il s'agit d'une force d'inertie qui quadruple à chaque diminution de moitié de la distance à un objet massif, elle perçoit même de petites différences dans la forme originale et les améliore considérablement en peu de temps.
Le résultat est une nébuleuse en formation d'étoiles avec une forme asymétrique: les étoiles qu'elle contient se forment dans les régions où la densité de gaz est la plus élevée. Mais si nous regardons à l'intérieur et regardons les étoiles individuelles, nous verrons que ce sont des sphères presque idéales - comme le Soleil.
Cependant, comme la nébuleuse elle-même est devenue asymétrique, les étoiles individuelles qui s'y sont formées ont été formées à partir d'amas asymétriques superdenses. Ces amas s'effondrent dans l'une des trois dimensions, et puisque la substance dont nous sommes composés, les atomes, les noyaux atomiques et les électrons, est attirée par elle-même et interagit lorsqu'elle entre en collision avec une autre substance, le résultat est un disque oblong de matière. Oui, la gravité en tirera la majeure partie vers le centre du disque où l'étoile se formera, mais ce que les scientifiques appellent un disque protoplanétaire se formera autour d'elle. Et grâce au télescope spatial Hubble, nous avons pu voir ces disques directement.
C'est le premier type d'indice, indiquant que le résultat sera quelque chose ordonné dans un plan. Pour passer à l'étape suivante, nous devrons nous tourner vers des simulations, car nous n'existons pas depuis assez longtemps et n'avons tout simplement pas eu le temps d'observer ce phénomène - et cela prend environ un million d'années - dans un jeune système stellaire.
Une fois que le disque protoplanétaire est "aplati" dans une dimension, il continuera à se rétrécir avec de plus en plus de matière entrant en son centre. Mais, malgré le fait que la majeure partie de la matière y sera concentrée, une grande partie du gaz et de la poussière sera libérée dans des orbites de rotation stables dans ce disque.
Pourquoi? Il y a une quantité physique qui doit être conservée: le moment cinétique, qui nous dit combien le système entier tourne - gaz, poussière, étoile et tout le reste. La façon dont le moment angulaire fonctionne et dont il est également réparti entre toutes les particules du système, en fait, indique que tout dans le disque devrait se déplacer, grosso modo, dans un sens - dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Au fil du temps, ce disque atteindra une taille et une densité stables, puis de petites instabilités gravitationnelles commenceront à transformer ces instabilités en planètes.
Bien sûr, il existe de petites différences entre les parties du disque, ainsi que de petites différences dans les conditions initiales. Une étoile qui se forme au centre n'est pas un point unique, mais plutôt un objet étendu - environ un million de kilomètres de diamètre. Lorsque vous ajoutez toutes ces pièces ensemble, vous n'obtiendrez pas un avion idéal, mais quelque chose de très proche en sortira. En fait, nous avons récemment trouvé le premier système planétaire en dehors du solaire, dans lequel nous avons pu observer le processus de formation de jeunes planètes dans un même plan.
La jeune étoile HL Tauri, située à environ 450 années-lumière de la Terre, est entourée d'un disque protoplanétaire. L'étoile elle-même est estimée à environ un million d'années. Évidemment, c'est un disque dans lequel tout est dans le même plan, mais il y a de sombres "ruptures". Chacune de ces cassures correspond à une jeune planète qui a attiré toute la matière dans son voisinage. On ne sait pas encore lequel d'entre eux finira par fusionner, lequel sera éjecté du disque, et lequel se déplacera à l'intérieur et sera absorbé par l'étoile mère. Entre-temps, nous avons eu l'occasion d'observer un tournant dans le développement d'un jeune système stellaire. Et bien que les scientifiques précédents aient pu observer de jeunes planètes, il n'a pas été possible d'étudier cette étape. Toutes les étapes de la formation d'un système stellaire sont étonnantes et correspondent à la même histoire.
Mais pourquoi les planètes sont-elles dans le même plan ? Parce qu'ils sont formés d'un nuage de gaz asymétrique, qui s'effondre d'abord dans la direction la plus courte, puis la substance « s'aplatit » et « se colle » à elle-même, puis se contracte vers le centre. Mais au lieu de lui tomber dessus, elle se met à tourner autour de lui. En conséquence, des planètes se forment à partir d'inhomogénéités dans ce jeune disque, qui continuent à tourner dans le même plan avec une différence de plusieurs degrés.
C'est l'un de ces cas où les observations et les simulations basées sur des calculs théoriques sont étonnamment cohérentes les unes avec les autres. Ainsi, où que vous soyez dans l'Univers, toutes les planètes autour des étoiles tourneront toujours dans le même plan.