Как планеты и Солнце получают свое начальное вращение?

Чтобы основываться на ответе Мартина Беккета (особенно потому, что я не уверен, насколько вы знакомы с физикой);

В настоящее время мы считаем, что звезды образуются, когда объекты, известные как молекулярные облака (которые, как можно догадаться, представляют собой облака молекул в космосе, в основном состоящие из водорода), коллапсируют. Важно отметить, что эти облака не «статичны», они имеют какое-то движение, в том числе какое-то «среднее вращение», то есть в целом облако вращается (обычно довольно медленно).

Как упоминалось в ответе Мартина Беккета, угловой момент сохраняется; Типичный пример, который можно привести, - это представить вращающуюся фигуристку, когда она приближает руки к телу, она вращается быстрее. Если вы не верите в это и имеете доступ к офисному стулу, легко убедить себя (и, возможно, навредить себе тоже...). Это справедливо и для молекулярного облака. Когда он схлопывается сам в себя, он начинает вращаться все быстрее и быстрее, образуя диск. Основная его часть объединяется в большой шар водорода в центре, который в конечном итоге сформирует звезду. Материя в диске постепенно начинает все больше и больше слипаться, образуя планеты (это немного сложнее, чем это, но если вам интересно, эту тему легко прочитать). Подобно тому, как все облако начинает вращаться все быстрее и быстрее,

В предыдущем посте были рассмотрены другие ваши вопросы.

Угловой момент сохраняется, поэтому любое крошечное начальное вращение, которое имел первоначальный газовый шар, становится быстрее, когда газ коллапсирует в звезду и диск планет.

Планеты вблизи Солнца вращаются медленно по той же причине, по которой Луна всегда обращена к Земле одной и той же стороной — приливное торможение .

Венера, вероятно, получила удар от какого-то куска камня / протопланеты в начале своей жизни, что изменило ее вращение. Аналогичное событие отделило Луну от Земли.

Как планеты и Солнце получают свое начальное вращение?

Простой ответ — сохранение углового момента. Правильный ответ заключается в том, что простой ответ слишком прост.

Солнечные
звезды формируются из газового облака, подвергающегося гравитационному коллапсу. Облако схлопывается в протопланетный диск, когда протозвезда начинает расти. Сохранение углового момента требует, чтобы протозвезда и диск сохраняли постоянный угловой момент: диск и звезда вращаются вокруг общей оси. Это то, что мы видим сейчас в нашей Солнечной системе: медленно вращающаяся звезда, ось вращения которой более или менее совпадает с осью орбиты планет.

Есть проблема с этим хорошим простым объяснением: хотя на Солнце приходится 99,87% общей массы Солнечной системы, на Солнце приходится очень небольшая часть полного углового момента Солнечной системы. Эта «проблема углового момента» (например, см. Ричард Ларсон, «Угловой момент и формирование звезд и черных дыр», Reports on Progress in Physics 73.1 (2010): 014901).) еще больше в процессе формирования. Полный угловой момент типичного газового облака на несколько порядков больше, чем максимально возможный угловой момент, который может выдержать звезда, чтобы не распасться. Протозвезда должна терять угловой момент по мере своего роста. Не совсем разумно ссылаться на сохранение углового момента в системе, которая не сохраняет угловой момент. Однако различные предлагаемые процессы для этого сброса более или менее удерживают ось вращения, указывающую более или менее в одном и том же направлении.

Планеты
земной группы Предполагается, что планеты земной группы формируются в результате серии столкновений, начиная с небольших комков пыли, которые в конечном итоге превращаются в валуны, затем в протопланеты, затем в зародыши планет и, наконец, в планеты. В этих последних нескольких столкновениях между парами больших планетарных зародышей угловой момент, обусловленный относительной скоростью этих последних нескольких бинарных столкновений, скорее всего, превосходит угловой момент, обусловленный вращением. Первоначальное вращение планет земной группы является результатом последнего крупного столкновения. Результат несколько случайный.

Меркурий
Меркурий — особый случай. По сути, он приливно привязан к Солнцу. (Точнее, это спин-орбитальный резонанс 3:2.) Очень сильный гравитационный градиент, действующий на Меркурий со стороны Солнца, превзошел бы любое разумное начальное вращение. Какую бы начальную угловую скорость вращения ни имел Меркурий, ее уже давно нет. Неизвестно, какова была начальная скорость вращения или ось вращения Меркурия.

Венера
Венера — еще один особый случай. Он вращается очень медленно, и его вращение ретроградно. Ось вращения Венеры почти перевернута (наклон 177°). Долгое время большинство ученых, изучающих Солнце, думали, что это было последствием того, что Венера поразила последний большой объект (см. выше). Есть две проблемы с гигантским столкновением, чтобы объяснить вращение Венеры. Во-первых, столкновение, которое заставит Венеру вращаться почти точно против своей орбитальной оси, маловероятно. Еще большая проблема заключается в том, что у Венеры очень плотная атмосфера. Последний сильный удар, достаточно сильный, чтобы заставить Венеру перевернуться на бок, скорее всего, вытолкнул бы атмосферу Венеры. Хорошее решение состоит в том, что перевернутое вращение Венеры является естественным следствием очень плотной атмосферы Венеры. ПерАлександр Коррейя и Жак Ласкар, «Четыре конечных состояния вращения Венеры», Nature 411.6839 (2001): 767-770 , Венера близка к тому, чтобы находиться в одном из (и одном из наиболее вероятных) четырех возможных конечных состояний вращения. Чтобы объяснить вращение Венеры, не требуется никакого последнего сильного удара. Какая бы у него ни была первоначальная ротация, ее уже давно нет.

Земля
Земля имеет чрезвычайно большую луну. Это делает Землю еще одним особым случаем. Доминирующая гипотеза относительно образования Луны состоит в том, что она является следствием косого гигантского столкновения между прото-Землей и планетным зародышем размером с Марс, которое произошло на позднем этапе формирования Солнечной системы. Вращение протоземли до этого гигантского удара неизвестно; почти весь угловой момент является следствием этого косого гигантского удара.

Если эта гипотеза верна, Земля вращалась бы значительно быстрее, чем нынешняя скорость вращения, составляющая один оборот каждые 24 часа, вместо того, чтобы вращаться каждые четыре-шесть часов. Наша текущая скорость вращения является результатом постепенной передачи углового момента от вращения Земли к орбите Луны. В окаменелостях и горных породах есть признаки этого переноса, которые показывают, что Земля действительно вращалась быстрее, чем сейчас.

Марс
Марс — самая удаленная от Солнца планета земной группы, у нее нет плотной атмосферы и большой луны. Марс, по-видимому, подвергся некоторым довольно сильным поздним ударам, возможно, даже очень сильным, из-за которых почти все северное полушарие Марса превратилось в большой ударный кратер. Возможно, Марс — единственная планета земной группы, текущее вращение которой близко к ее изначальному вращению.

Однако Марс находится довольно близко к Юпитеру, и, если модель Гранд-Тэкса верна, в далеком прошлом он был еще ближе к Юпитеру. Имеются убедительные доказательства того, что наклон Марса (осевой наклон) претерпевал хаотические изменения в прошлом. Марс — еще один особый случай.

Планеты
-гиганты Считается, что изначально планеты-гиганты образовались в результате процесса, сходного (но более быстрого) с тем, как сформировались планеты земной группы. Это первоначальное каменисто-ледяное ядро ​​должно было вращаться вокруг прото-Солнца немного быстрее, чем газ и пыль в непосредственной близости. Это позволило протопланетам-гигантам выметать газ, лед и пыль с протопланетного диска. Плотность материала, составлявшего диск, была далеко не однородной, обычно выше по направлению к протозвезде. Сметание этой неоднородной плотности должно было придать протопланете крутящий момент, подавляющий любое случайное вращение ядра. Все четыре планеты-гиганта вращаются довольно быстро, и, за исключением Урана, они вращаются более или менее по орбите планеты.

Юпитер
Осевой наклон Юпитера довольно мал, что полностью соответствует доминирующей модели планетарного образования. Вращение Юпитера наименее удивительно среди планет-гигантов, скорее всего потому, что Юпитер — самая массивная из планет-гигантов.

Сатурн
Сатурн — меньший брат Юпитера, газовый гигант, вращающийся довольно быстро. Быстрое вращение Сатурна согласуется с моделью формирования планет. Его наклон в 26,73° объяснить немного сложнее. Возможно, имело место какое-то взаимодействие с одной из других планет-гигантов (например, см. William Ward and Douglas Hamilton, «Tilting saturn. I. Analytic model», The Astronomical Journal 128.5 (2004): 2501 ), или, возможно, пятая планета-гигант.

Уран
Уран — странная планета среди планет-гигантов. Большой осевой наклон Урана уступает только наклону Венеры. На этом сайте и родственных сайтах обмена стопками есть ряд вопросов и ответов об осевом наклоне Урана. Например, см. Почему ось вращения Урана наклонена? и Какова общепринятая теория относительно того, почему ось Урана так сильно наклонена? . В дополнение к моделям столкновений, описанным в ответах на эти вопросы, была предложена модель без столкновений; см. Гвенаэль Буэ и Жак Ласкар, «Бесстолкновительный сценарий наклона Урана», The Astrophysical Journal Letters 712.1 (2010): L44 .

Нептун
Нептун — родной брат Урана. Оба являются ледяными гигантами с очень похожими массами и скоростями вращения. У Нептуна нет странного наклона оси Урана. Однако у него есть осевой наклон, который не полностью согласуется с моделью планетарного образования. Одно объяснение такое же, как и для Сатурна; см. выше.

Резюме
Использование закона сохранения углового момента для объяснения вращения Солнца и планет — хороший простой ответ, но, возможно, слишком простой. Объяснение начального вращения Солнца и планет и эволюции после этого нетривиально, и остается ряд открытых вопросов. От редакции: Нет ничего плохого в том, чтобы в науке возникали открытые вопросы. На самом деле, иметь эти открытые вопросы — это хорошо. Это основа того, что делает науку наукой .

Q1 недавно был задан снова (и быстро закрыт), и я думаю, что есть простая и важная иллюстрация, которая также заслуживает добавления к этому старому вопросу.

Рассмотрим большую часть протопланеты, окруженную большим количеством материала, который притягивается к ней. Учтите также, что материал вокруг этой относительно небольшой области аккреционного диска имеет примерно постоянную скорость$v$: по мере того, как материал сходится к локальному центру притяжения, сохраняется угловой момент

• увеличивает скорость материала, изначально обращающегося по орбите с большим радиусом и
• уменьшает скорость материала, первоначально вращающегося по орбите с меньшим радиусом.

Что это означает, тогда более ясно видно в системе координат протопланеты: вращение вокруг местного центра притяжения, т. е. протопланета вращается.

_{(Я автор этой картинки, но я почти уверен, что не я придумал ее идею - я не смог найти ее в быстром поиске, поэтому, если кто-то знает ссылку, содержащую это объяснение ( или если это неправильно!), пожалуйста, поделитесь в комментарии.)}

Если мы на мгновение оставим Землю в стороне, окажется, что каменистые планеты линейно замедляются в зависимости от периода их вращения — чем ближе они становятся к Солнцу. Земля является аномалией, вероятно, из-за Луны, которая значительно ускорила свое вращение. Согласно моему графику этой линейной зависимости между продолжительностью «дня» и расстоянием от Солнца, на Земле без Луны сутки будут длиться 1960 часов. Значит, Солнце должно иметь какое-то влияние на периоды вращения каждой планеты.