Почему в космосе все круглое

Как гравитация влияет на материю

Форма небесного тела зависит от взаимодействия нескольких физических процессов. Главную роль играет собственная гравитация - это притяжение, которое создаёт вся масса объекта. Когда вещество собирается в достаточно большое скопление, оно начинает сжиматься под действием своей тяжести. Частицы стремятся занять такое положение, при котором система будет находиться в устойчивом состоянии.

Представим молодую планету, состоящую из нагретого вещества. Её отдельные участки пока могут выступать наружу, образуя неровности. Однако крупные выступы испытывают собственную тяжесть и постепенно деформируются. Вещество перераспределяется, а поверхность приобретает более ровные очертания. Если тело не вращается и на него не действуют значительные внешние силы, равновесная форма стремится к шару.

Почему именно шар, а не куб или пирамида? Дело в том, что для однородного невращающегося жидкого тела сферическая форма соответствует гравитационному равновесию. У шара нет углов, выступающих далеко от центра, а поверхность располагается на одинаковом расстоянии от него. В результате давление вещества и собственное притяжение могут уравновешивать друг друга.

Такое состояние называют гидростатическим равновесием. Несмотря на слово «гидро», оно относится не только к воде: подобное равновесие возможно у достаточно крупных газовых и твердых небесных тел, способных деформироваться под собственной тяжестью. Именно способность достигать почти округлой формы учитывается при определении планет и карликовых планет Солнечной системы.

Но далеко не каждый объект в космосе обладает достаточной массой. Небольшой камень, даже находящийся в открытом пространстве миллионы лет, не обязан становиться шаром. Его собственная гравитация слишком слаба, чтобы преодолеть прочность горных пород и сгладить неровности.

Отсюда возникает различие между крупными планетами и малыми телами:

• Планеты обычно достаточно массивны, чтобы собственное притяжение придало им почти шарообразную форму;

• Крупные спутники тоже часто становятся округлыми. Например, Луна и Ганимед имеют достаточно большую массу;

• Небольшие астероиды сохраняют угловатые, вытянутые и неправильные очертания;

• Кометы нередко состоят из нескольких соединённых участков и могут напоминать два слипшихся тела.

Хорошо известен пример кометы 67P/Чурюмова — Герасименко, которую исследовал аппарат Rosetta. Она состоит из двух выраженных частей, соединённых узкой перемычкой. Такая форма сохранилась потому, что гравитация небольшого тела не способна полностью перераспределить его вещество.

Размер, при котором объект становится округлым, не имеет одного универсального значения. Он зависит от состава, температуры, внутреннего строения и прочности материала. Ледяное тело может приобрести близкую к сферической форму при меньшей массе, чем каменное, поскольку лёд при определённых условиях легче деформируется.

Кроме того, внешнее сходство с шаром ещё не означает, что объект обязательно относится к планетам. Карликовая планета Церера имеет округлую форму, но её классификация определяется также особенностями орбиты. Следовательно, шарообразность - это важный физический признак, но не единственное условие планетного статуса.

Планеты идеально круглые или нет

На большинстве космических снимков планеты выглядят как правильные шары. Однако точные измерения показывают, что их форма отличается от идеальной сферы. Причина заключается прежде всего во вращении вокруг собственной оси.

Любой участок вращающейся планеты движется по окружности вокруг оси. Для такого движения необходимо центростремительное ускорение, а в системе отсчёта, связанной с планетой, учитывают центробежный эффект. В результате равновесная форма вращающегося тела становится немного шире возле экватора и уже у полюсов. Подобную фигуру называют сплюснутым сфероидом. В отличие от идеального шара, у неё экваториальный радиус больше полярного. Насколько заметной окажется разница, зависит от скорости вращения, распределения массы и свойств вещества.

Земля является наглядным примером. Её экваториальный радиус составляет примерно 6378 километров, а полярный около 6357 километров. Разница достигает 21 километра. На фоне размеров планеты это немного, поэтому издалека она выглядит круглой, но для геодезических измерений такой особенностью пренебрегать нельзя.

У Юпитера сплюснутость заметнее. Газовый гигант совершает один оборот вокруг оси менее чем за десять часов, и быстрое вращение существенно влияет на распределение его вещества. Сатурн также обладает выраженным экваториальным расширением: расстояние от его центра до экватора гораздо больше, чем до полюсов.

Медленно вращающиеся Венера и Меркурий значительно ближе к сферической форме. Но даже здесь нельзя говорить об абсолютной геометрической правильности: распределение вещества внутри планеты и особенности ее поверхности создают небольшие отклонения.

Сравним несколько характерных случаев:

• Земля. Разница экваториального и полярного радиусов составляет около 21 км;

• Юпитер. Быстрое вращение делает его заметно сплюснутым;

• Сатурн. Один из наиболее ярких примеров экваториального расширения среди планет;

• Венера. Из-за медленного вращения ее форма очень близка к шару.

Форма планеты зависит не только от вращения. Дополнительные изменения вызывают гравитационные воздействия других тел, неоднородное внутреннее строение и особенности поверхности. На каменных планетах существуют горы, впадины и крупные ударные бассейны. Поэтому реальная поверхность отличается даже от правильно рассчитанного сфероида.

Для более точного описания Земли ученые используют понятие геоида. Это условная поверхность равного гравитационного потенциала, близкая к среднему уровню океана. Она позволяет учитывать неравномерное распределение массы внутри планеты и отличается от простого геометрического эллипсоида.

Есть и звёзды, форма которых значительно отклоняется от шара. Например, Альтаир вращается настолько быстро, что его экваториальная область заметно шире полярной. Это показывает, что принцип действует не только для планет, но и для других массивных вращающихся объектов.

Получается, выражение «все планеты круглые» верно лишь в приближенном смысле. Их собственная гравитация создаёт почти шарообразную форму, однако вращение и другие физические факторы делают ее неидеальной. Чем точнее научные измерения, тем заметнее становятся такие различия.

Тогда почему пояс Койпера плоский

Если крупные объекты под действием гравитации стремятся приобрести округлую форму, почему в Солнечной системе существуют плоские структуры? Хороший пример - это пояс Койпера, расположенный за орбитой Нептуна. На схемах он часто изображается как широкий диск, окружающий Солнце.

Сначала важно уточнить. Пояс Койпера - это не единое твердое тело. Он состоит из множества небольших ледяных и каменистых объектов, которые самостоятельно движутся вокруг звезды. Между ними находятся огромные расстояния, а общее расположение напоминает толстое кольцо или диск.

Основная область пояса простирается приблизительно от 30 до 50 астрономических единиц от Солнца. Одна астрономическая единица соответствует среднему расстоянию между Землёй и нашей звездой. Поэтому объекты пояса Койпера находятся значительно дальше Нептуна, где солнечное освещение намного слабее.

Чтобы понять происхождение его формы, необходимо обратиться к ранней истории Солнечной системы. Около 4,6 миллиарда лет назад Солнце и окружающие его небесные тела начали формироваться из огромного газопылевого облака. Под действием гравитации облако сжималось, одновременно сохраняя своё вращательное движение.

По мере сжатия вращение усиливалось, а вещество постепенно концентрировалось в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Так образовался протопланетный диск, внутри которого происходили столкновения пылинок, формирование более крупных тел и последующее образование планет. Плоская структура оказалась естественным следствием этих процессов. Движение частиц и их взаимодействия уменьшали разброс вертикальных скоростей, поэтому значительная часть вещества сосредоточилась вблизи общей плоскости. При этом отдельные частицы не были приклеены к диску: каждая продолжала двигаться по собственной орбите.

Пояс Койпера сохранил часть вещества, не вошедшего в состав крупных планет. Многие его объекты обращаются вокруг Солнца вблизи плоскости планетных орбит. Однако их траектории могут различаться по вытянутости и наклону, поэтому пояс нельзя считать идеально тонким.

На его современное строение повлияли и гравитационные взаимодействия с Нептуном. Ученые предполагают, что в ранней истории Солнечной системы планеты-гиганты изменяли свои орбиты, перераспределяя небольшие ледяные тела. Часть объектов оказалась на устойчивых орбитах, а другие приобрели значительные наклоны и вытянутые траектории.

Поэтому в окрестностях пояса выделяют несколько динамических групп:

• Классические объекты движутся преимущественно по сравнительно устойчивым орбитам в основной области пояса;

• Резонансные объекты связаны с Нептуном определёнными соотношениями периодов обращения. Например, Плутон делает два оборота вокруг Солнца за время, пока Нептун совершает три;

• Объекты рассеянного диска нередко имеют сильно вытянутые и наклоненные орбиты, уводящие их далеко за пределы основной области.

В результате пояс Койпера лишь условно называют плоским. Его структура больше напоминает толстый тор, или объёмное кольцо, а отдельные тела могут перемещаться значительно выше и ниже основной плоскости.

Здесь важно различать форму самого объекта и форму системы, состоящей из множества объектов. Отдельная карликовая планета в поясе Койпера может быть почти шарообразной из-за собственной гравитации. Но вся совокупность таких тел образует диск, поскольку каждое из них движется по орбите вокруг Солнца.

Этим же объясняется, почему многие галактики имеют дисковую структуру, хотя входящие в них звезды не обязательно расположены в одной плоскости. Гравитация, вращение и история формирования системы могут создавать плоское распределение вещества, не превращая его в единое массивное тело.

При этом не все космические системы обязаны становиться дисками. Например, облако Оорта, которое, согласно современным моделям, окружает Солнечную систему гораздо дальше пояса Койпера, предположительно имеет значительно более близкое к сферическому распределение объектов. Его форма связана с иной историей гравитационных воздействий.

Следовательно, противоречия между круглыми планетами и плоским поясом Койпера нет. Гравитация формирует почти шарообразные массивные тела, а сочетание вращения и орбитального движения может создавать диски из множества отдельных объектов. Именно поэтому космос наполнен одновременно шарами, кольцами, спиралями и телами неправильной формы.

А теперь немного про нашу игру

Если вам интересно исследовать планеты и другие космические объекты, попробуйте WarForGalaxy - бесплатную кроссплатформенную 4X-стратегию. Развивайте колонии, исследуйте технологии, создавайте боевые флоты и участвуйте в галактических войнах вместе с игроками со всего мира. В управлении империей помогает ИИ-ассистент Hermes, а играть можно прямо в браузере компьютера или на смартфоне.