Транснептуновые объекты


Дмитрий Вибе,
доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН
«Троицкий вариант — Наука» № 8(302), 21 апреля 2020 года

Недавно исполнилось 90 лет открытию Плутона. Это событие когда-то стало важной вехой в исследованиях периферии Солнечной системы. Плутон долгое время считался рядовой планетой, но в действительности оказался представителем другого племени, которое теперь совокупно именуется транснептуновыми объектами (ТНО), или поясом Койпера. Мы расскажем о необычной истории возникновения этого названия.

Охота на Плутон

Именование «пояс Койпера» вызывает большое количество споров — возможно, не столь публичных и массовых, как споры о планетном статусе Плутона, но не менее оживленных. Проблема состоит в том, что присвоение имени американского астронома Джерарда Койпера группировке ТНО, возглавляемой Плутоном, произошло случайно и, как бы это сказать, не вполне обоснованно; в этом отразилась не столько историческая справедливость, сколько специфика написания научных статей.


О том, что Солнечная система не заканчивается Нептуном, говорилось фактически с самого момента его открытия. Причем поначалу имелись в виду «регулярные» массивные тела на примерно круговых орбитах — планеты, поскольку о наличии в занептуновом мире комет, передвигающихся по сильно вытянутым орбитам, было известно уже давно. Поводов поразмышлять о новых планетах Солнечной системы было как минимум два.

Во-первых, Нептун, открытый в 1846 году в результате попыток решить проблему аномалий в движении Урана, эту проблему не решил: необъясненные странности в движении Урана остались (как тогда казалось), и их логично было объяснить наличием еще одной, пока неизвестной, планеты X.

Во-вторых, указанием на существование планеты X было распределение кометных орбит. Кометы делятся на два класса: долгопериодические и короткопериодические. Формальной границей между ними считается период в 200 лет, однако многие долгопериодические кометы имеют периоды, измеряемые десятками и сотнями тысяч лет, и в афелии (максимально удаленной точке орбиты) уходят от Солнца на десятки и сотни тысяч астрономических единиц (1 а. е. = 150 млн км, среднее расстояние от Солнца до Земли).
nbsp;вот короткопериодические кометы даже в афелии остаются в пределах сотни а. е. от Солнца. Как отмечал в начале XX века американский астроном Персиваль Лоуэлл, многие из них своими афелиями «привязаны» к большим планетам, образуя семейства Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, но при этом есть и кометы с афелиями в занептуновой области, на расстоянии около 50 а. е. от Солнца, там, где известных планет нет.

Перечисленные доводы — аномалии в движении Урана и далекие кометы без привязки к планете — стали для Лоуэлла стимулом к организации поисков планеты X, которые 18 февраля 1930 года увенчались обнаружением Плутона.

Здесь и начинается история «предсказаний» пояса Койпера.

Планета или нет?

Обсерватория Лоуэлла тянула с объявлением об открытии девятой планеты до 13 марта 1930 года, приурочив его к 75-летию со дня рождения Лоуэлла (он не дожил до этого дня больше 13 лет) и к очередной годовщине открытия Урана. Но причиной задержки было вовсе не желание украсить две этих даты. Первооткрыватель Плутона Клайд Томбо обнаружил его изображения на фотопластинках, которые были получены на протяжении всего нескольких ночей в январе 1930 года, и определить внятные параметры орбиты Плутона по такой короткой дуге было невозможно. Директор обсерватории Весто Слайфер опасался вытащить пустышку и тянул с объявлением, ожидая более точных расчетов.


Строго говоря, даже когда обсерватория уже выпустила патетическое заявление об открытии новой планеты Солнечной системы, о Плутоне известно было только то, что он в данный момент находится дальше Нептуна. Затем было найдено несколько ранних изображений Плутона, полученных в том числе и при жизни Лоуэлла в его обсерватории, и параметры орбиты начали уточняться. Некоторые предварительные расчеты давали для Плутона не планетную, а скорее кометную траекторию с огромным эксцентриситетом (порядка 0,9), и это стало поводом для заявлений, что Плутон представляет собой не планету (и уж точно не планету X), а объект некоего нового типа.

В частности, 13 апреля 1930 года Армин Лейшнер из Калифорнийского университета в Беркли написал, что Плутон может быть первым представителем «многочисленных долгопериодических планетных объектов, которые еще предстоит открыть». Ему вторил директор Гарвардской обсерватории Харлоу Шепли: «Предварительная орбита указывает на замечательный новый вид обитателей Солнечной системы, несопоставимый с известными астероидами и кометами и, возможно, более важный для космогонии, чем просто еще одна большая планета за Нептуном» [1]. Чем не предсказания пояса Койпера? Однако следует помнить, что они опирались на ошибочные данные о большом эксцентриситете орбиты Плутона.


К августу 1930 года ситуация с орбитой прояснилась; стало очевидно, что об экстремальных кометных параметрах речи не идет, хотя и на типичную планетную орбиту траектория Плутона не похожа. Обращаясь вокруг Солнца в том же направлении, что и остальные планеты, он движется хотя и не по кометной, но все-таки по вытянутой орбите с эксцентриситетом почти 0,25, притом наклоненной на 17° относительно плоскости орбиты Земли, что существенно больше наклонений орбит других планет.

Ау, группа ультранептуновых тел

Опираясь на эти особенности, в августе 1930 года Фредерик Леонард из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе высказал следующее предположение: «В конечном итоге может оказаться, что Солнечная система состоит из нескольких вложенных друг в друга планетных зон, или семейств. На самом деле уже более ста лет назад астрономы осознали, что в эту систему последовательно входят землеподобные планеты, малые планеты и планеты-гиганты. Не можем ли мы допустить, что Плутон попал в наше поле зрения как первый представитель группы ультранептуновых тел, остальные члены которой еще ожидают открытия?»


Однако шло время, другие «плутоноподобные» объекты обнаружить не удавалось, и Плутон постепенно закрепился в космогонии в ранге обычной планеты. Следующий подход к проблеме транснептуновых тел возник уже в контексте теорий формирования Солнечной системы. Здесь первые обоснованные соображения были высказаны ирландским ученым Кеннетом Эджвортом. В 1938 году он сформулировал их в книге о своей теории формирования Солнечной системы, однако издатели эту книгу отвергли, и далее Эджворт публиковал свои идеи в нескольких статьях начиная с 1943 года.

Он пришел к выводу, что планеты Солнечной системы формировались в результате укрупнения твердых частиц, составлявших протосолнечный диск, и сделал вполне логичное предположение, что облако рассеянного вещества, конденсация которого в конечном итоге привела к формированию Солнечной системы, не было ограничено современной орбитой Плутона. Но твердые сгустки, сформировавшиеся в этой разреженной внешней области, за время существования Солнечной системы не успели слиться в большие планеты, и потому «можно предположить, что внешняя область Солнечной системы за орбитами планет населена очень большим количеством относительно малых тел» [2].

Вереница публикаций о кометном поясе


То ли оттого, что их публикация пришлась на военные и послевоенные годы, то ли из-за общей невысокой актуальности проблемы работы Эджворта особого внимания не привлекли. И здесь на сцене появляется Джерард Койпер, который в конце 1940-х годов также решил обратиться к проблеме формирования Солнечной системы. Он так же как и Эджворт сделал вывод, что после образования больших планет на периферии системы должны были остаться малые тела, так и не ставшие большими планетами. Но Койпер сделал и еще один шаг, совершенно неизбежный, учитывая уровень знаний тех лет: он предположил, что теперь эти тела за орбитой Нептуна отсутствуют, поскольку их выбросил оттуда Плутон, масса которого считалась в то время сопоставимой с массой Земли.

С этими соображениями Койпера связаны две публикационные странности, которые, вероятно, сыграли определяющую роль в дальнейшей истории именования транснептуновой области. Во-первых, Койпер опубликовал их не в научном журнале, а в трудах конференции [3]. Во-вторых, он почему-то не упомянул в этой работе труды Эджворта. Вероятно, Койпер в принципе не придавал этой идее большого значения, так как в дальнейших трудах он к теме транснептуновой области особо не возвращался. «Кометный пояс» (или «кометная зона») сразу за орбитой Нептуна был кратко упомянут в работе Койпера 1974 года [4], опубликованной уже после его смерти, — но опять как отсутствующие сущности.


Позже подобные идеи высказывались и другими учеными. В 1962 году в обзоре, посвященном формированию Солнечной системы, на возможность существования большого количества твердого вещества за орбитой Нептуна мельком указал Элистер Кэмерон [5]. В 1964 году Фред Уиппл выпустил работу, которая так и называлась — «Evidence for a comet belt beyond Neptune» [6]. В ней он высказал мнение, что за орбитой Нептуна на расстоянии 40–50 а. е. от Солнца может существовать устойчивый пояс из кометных ядер массой порядка 10–20 масс Земли. Забавно, что источником этой идеи Уиппл назвал Кэмерона, не упомянув ни Эджворта, ни Койпера.

Идея Уиппла привлекла внимание уругвайского астронома Хулио Фернандеса: занептуновый кометный пояс заинтересовал его в связи с проблемой происхождения короткопериодических комет, которая в 1960–1970-е годы становилась всё острее. До этого времени казалось разумным предполагать, что любые кометы происходят из одной и той же области пространства — так называемого облака Оорта, гипотетического гигантского резервуара кометных ядер поперечником в десятки, а то и сотни тысяч а. е., существование которого постулировал в 1950 году нидерландский астроном Ян Оорт.
nbsp;рамках этого предположения в качестве долгопериодических наблюдаются кометы, впервые прилетающие из облака Оорта в центральную часть Солнечной системы, а короткопериодическими становятся те из них, которые во время своих визитов опасно сближаются с большими планетами Солнечной системы и под их воздействием переходят на более компактные траектории.

Фернандес с помощью теоретического моделирования показал, что процесс захвата долгопериодических комет планетами-гигантами крайне неэффективен: на одну захваченную комету приходится настолько большое количество комет, которые выбрасываются в межзвездное пространство, что за время существования Солнечной системы этот процесс должен был бы полностью исчерпать облако Оорта. Вторая проблема связана с тем, что орбиты долго- и короткопериодических комет по-разному расположены в пространстве. Распределение орбит долгопериодических комет примерно сферически-симметрично, тогда как большая часть короткопериодических комет обращается вокруг Солнца в ту же сторону, что и планеты, и по орбитам, незначительно наклоненным к плоскости эклиптики. Обе проблемы решаются, если предположить, что источником короткопериодических комет является не облако Оорта, а другой кометный резервуар — уплощенный пояс кометных ядер за орбитой Нептуна.


В 1980 году Фернандес опубликовал статью о связи этого пояса с короткопериодическими кометами [7], указав в ней, что предположение о существовании этого пояса было высказано в работе Койпера 1951 года. Позже он сам винил себя за то, что проглядел работы Эджворта и сослался не на них, а на Койпера, который на самом деле утверждал, что кометного пояса не существует. Узнать о статьях Эджворта из работы Койпера, как мы помним, Фернандес не мог.

Финальным аккордом стала статья Дункана, Куинна и Тримейна 1988 года, также посвященная происхождению короткопериодических комет. В ней они написали следующее: «Ряд авторов (например, Койпер 1951, Фернандес 1980) указали, что, если твердое вещество в области внешних планет распределено в форме диска и если проэкстраполировать вовне распределение его поверхностной плотности, мы можем ожидать, что масса вещества между 35 и 50 а. е. составляет как минимум несколько масс Земли и, вероятно, еще больше за 50 а. е. Это вещество представляет собой многообещающий источник короткопериодических комет» [8]. Но Койпер на это не указывал, он писал прямо противоположное! Возможно, Дункан с соавторами, доверившись Фернандесу, просто не стали искать в библиотеке труды конференции 1951 года (да такие издания и не во всякой библиотеке могут быть). В своей статье они, по-видимому, первыми использовали короткое словосочетание «пояс Койпера», которое после этого «пошло в народ».

Реальный пояс Койпера: так кто же прав?


Наиболее пострадавшей стороной в этой истории выглядит Эджворт, и потому время от времени предпринимаются попытки переименовать пояс Койпера в пояс Эджворта — Койпера или даже просто в пояс Эджворта, но попытки эти безуспешны. Отчасти это, наверное, связано с тем, что, как показывают современные исследования ТНО, реальный пояс Койпера не соответствует ни одному из описанных выше предсказаний.

Он имеет сложную структуру, в которую входят объекты на почти круговых орбитах с небольшими наклонениями (классический пояс Койпера); объекты на сильно вытянутых орбитах (рассеянный диск); объекты, находящиеся в различных резонансах с Нептуном (именно в эту группу входит Плутон); объекты, которые вообще непонятно что делают в Солнечной системе (седноиды*)…

Возможно, что классический пояс Койпера является остатком формировавшейся Солнечной системы (прав Эджворт?), но есть и модели, в которых исходное вещество протосолнечной системы разбрасывается планетами-гигантами, а область современного классического пояса заселяется объектами позже (прав Койпер?). Наличие рассеянного диска показывает, что в транснептуновой области действительно есть объекты на орбитах с большими эксцентриситетами (правы Лейшнер и Леонард?). Причем источником короткопериодических комет может быть именно рассеянный диск, а не классический пояс Койпера (неправы все?).

Что с этим делать? Конечно, существует так называемый закон Стиглера, согласно которому никакое научное открытие не носит имени того, кто его сделал. Например, идею об облаке Оорта существенно раньше Оорта высказал Эрнст Эпик, но Оорт, по крайней мере, писал о том же объекте. Койпер же, положа руку на сердце, пояса, названного в его честь, вообще не предсказывал. Тем не менее, название остается, споры о нем остаются, и история эта, вероятно, будет тянуться еще долго. Ее «виновник» Хулио Фернадес предлагает вообще отказаться от имени собственного, оставив более общее и потому более корректное обозначение — «транснептуновые объекты». В конце концов, пишет он, мы же не испытываем тяги называть Главный пояс астероидов поясом Пиацци в честь первооткрывателя Цереры.

Литература
1. Distant Eko’s. The Kuiper Belt Electronic Newsletter. 2000, 10.
2. Edgeworth K. E. The evolution of our planetary system // Journal of the British Astronomical Association. 1943. Vol. 53, p. 181–188.
3. Kuiper G. P. On the Origin of the Solar System // Proceedings of a topical symposium, commemorating the 50th anniversary of the Yerkes Observatory and half a century of progress in astrophysics, New York: McGraw-Hill, 1951, edited by Hynek, J. A., p. 357.
4. Kuiper G. P. On the Origin of the Solar System. I // Celestial Mechanics. 1974. Volume 9, Issue 3, pp. 321–348.
5. Cameron A. G. W. The formation of the sun and planets // Icarus, Volume 1, Issue 1, p. 13–69.
6. Whipple Fred L. Evidence for a Comet Belt Beyond Neptune // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1964, Volume 51, Issue 5, pp. 711–718.
7. Fernandez J. A. On the existence of a comet belt beyond Neptune // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 1980, vol. 192, p. 481–491.
8. Duncan M., Quinn T., Tremaine S. The Origin of Short-Period Comets // Astrophysical Journal Letters, 1988, v. 328, p. L69.


* Седноид (sednoid) — транснептуновый объект с перигелийным расстоянием более 50 а. е. и большой полуосью более 150 а. е. Известно три подобных объекта. Один из них назван «Седна» в честь эскимосской богини тюленей, моржей и других морских животных: она повелевает царством мертвых. Также в честь нее названа равнина на Венере. — Ред.

Источник: elementy.ru

Транснептуновые объекты

“Количество ТНО, которое вы можете найти, зависит от того, в какую часть неба вы смотрите и насколько слабый объект вы можете увидеть”, – сказал профессор Университета Пенсильвании Гари Бернштейн.

Поскольку DES был спроектирован для изучения галактик и сверхновых, астрономам пришлось разработать новый способ отслеживания движения мелких объектов в нашей Солнечной системе.

Команда проанализировала данные за первые четыре года работы DES и обнаружила 316 ТНО, включая 245 открытий, сделанных в ходе исследования, и 139 новых объектов, которые ранее не публиковались.

В настоящее время известно всего 3000 объектов такого рода. Таким образом, новый каталог описывает более 10% из всех известных ТНО.

Транснептуновые объектыИсточник: universetoday.ru

    Семейство Хаумеа — группа транснептуновых объектов с близкими параметрами орбиты и практически одинаковыми спектрами, соответствующими почти чистому льду. Вычисления показывают, что эта группа представляет собой транснептуновое семейство астероидов. Предполагается, что все члены семейства являются фрагментами одного большого родительского астероида, распавшегося когда-то в результате столкновения с другим крупным объектом.
    Семейство было названо в честь карликовой планеты Хаумеа (предварительное обозначение 2003 EL61), которая является крупнейшим членом данного семейства и одним из основных фрагментов родительского тела. Кроме него в семейство входит ещё несколько довольно крупных объектов пояса Койпера, дисперсия орбитальных скоростей которых не превышает 150 м/с. Все члены семейства состоят в основном изо льда и, как следствие, имеют довольно большое альбедо. Крупнейшие из них — с диаметром 400—700 км — могут рассматриваться уже не просто как астероиды, а как карликовые планеты. Хотя следует отметить, что если выяснится, что их альбедо оказалось сильно занижено, то и размеры у этих объектов окажутся значительно меньше и они тогда могут легко лишиться этого статуса или возможности претендовать на него.
    Дисперсия собственных орбитальных элементов между членами семейства относительно небольшая и составляет около 5% для большой полуоси, приблизительно 1,4° для наклона орбиты и 0,08 для эксцентриситета.
    Для членов семейства характерен нейтральный показатель цвета с глубокими полосами поглощения в инфракрасной области спектра на длине 1,5 и 2,0 мкм, характерные для водяного льда.
    Предполагается, что родительский астероид, из которого образовалось семейство, имел диаметр около 1600 км, а плотность — около 2 г/см3. Вероятно, он был похож на такие карликовые планеты, как Плутон или Эрида. В результате столкновения Хаумеа потеряла около 20% своей изначальной массы, в основном лёд, и за счёт этого стала более плотной.
    Нынешние параметры орбит членов семейства не могут быть объяснены одним только столкновением. Чтобы объяснить распределение их орбитальных элементов, необходимо предположить, что дисперсия скоростей фрагментов родительского тела сразу после удара превышала 400 м/с, но тогда разброс этих фрагментов был бы гораздо больше, чем наблюдается сейчас у членов семейства. Эта проблема касается только Хаумеа; орбиты всех остальных членов семейства могут быть объяснены в предположении, что дисперсия начальных скоростей составляла всего 140 м/с. Возможно, причина этого расхождения в том, что Хаумеа (и только она) иногда входит в орбитальный резонанс 12:7 с Нептуном. Это приводит к увеличению эксцентриситета этой карликовой планеты при каждом сближении с Нептуном. Вероятно, именно этот механизм привёл к увеличению эксцентриситета орбиты Хаумеа (изначально близкого к эксцентриситету орбит остальных членов семейства) до его текущего значения.
    Второе предложение предполагает более сложный способ образования семейства: материал, выброшенный из родительского астероида при первичном столкновении, не рассеивается в окружающем пространстве, а остаётся на орбите Хаумеа и постепенно слипается в большую луну, которая постепенно удаляется от карликовой планеты под действием приливных сил и в какой-то момент разрушается в результате вторичного столкновения. При этом её фрагменты рассеиваются в окружающее пространство, образуя семейство астероидов. Эта теория предсказывает, что дисперсия скоростей астероидов семейства не будет превышать 190 м/с, что уже гораздо ближе к наблюдаемой дисперсии скоростей, составляющей 140 м/с. Она также позволяет объяснить очень маленькое значение этой дисперсии по сравнению со скоростью убегания для Хаумеа (около 900 м/с).


Транснептуновые объекты
Диаграмма, где показаны большая полуось и наклонение орбиты для различных
объектов внешней Солнечной системы. Семейство Хаумеа показано зелёным, другие
объекты пояса Койпера — голубым, плутино и другие резонансные
транснептуновые объекты — красным, рассеянный диск — серым

    Хаумеа может являться далеко не единственным большим быстровращающимся объектом эллиптической формы в поясе Койпера. В 2002 году Джевитт и Шеппард предложили, что другая карликовая планета (20000) Варуна, вследствие своего быстрого вращения, тоже может имеет удлинённую сильновытянутую форму. На ранних этапах истории в транснептуновой области Солнечной системы находилось гораздо больше объектов, чем сейчас, что создавало высокую вероятность столкновения между ними. Но под влиянием гравитационных взаимодействий с Нептуном многие из них были выброшены в более отдалённую область рассеянного диска.
    На сегодняшний день Пояс Койпера является довольно малонаселённой областью, где вероятность столкновений между объектами крайне низка и составляет менее 0,1% за время существования Солнечной системы. Изначально образоваться в Поясе Койпера в более раннее время, когда его плотность была для этого ещё достаточно высока, семейство тоже не могло, так как за время с момента своего образования и до наших дней такая плотная группа была бы неминуемо рассеяна гравитационным влиянием Нептуна. Наличие же в поясе Койпера такого плотного астероидного семейства, возникшего как раз в результате столкновения, говорит о его сравнительно небольшом возрасте и может означать, что семейство возникло в области рассеянного диска, где вероятность таких столкновений остаётся ещё достаточно высокой, и лишь потом переместилось в Пояс Койпера.
    Результаты математического моделирования показывают, что вероятность появления одного такого астероидного семейства в Солнечной системе за время её существования составляет около 50%, так что вполне возможно, что семейство Хаумеа является единственным в своём роде транснептуновым семейством. Достичь сегодняшней степени рассеянности оно могло, согласно расчётам, не менее чем за миллиард лет. Следовательно, это довольно старое семейство, возраст которого сравним с возрастом Солнечной системы. Но это плохо согласуется с высокой яркостью этих объектов, которая указывает на небольшой (не более 100 млн лет) возраст их поверхности. Это довольно странно, ведь в течение миллиардов лет под действием солнечного излучения лёд должен был отчасти принять красный оттенок и потемнеть. Высокое альбедо свидетельствует либо о молодости этих объектов, либо, что более вероятно, о недавнем обновлении льда на их поверхности. Возможно, это происходит в результате столкновений с более мелкими объектами.
    Более детальные исследования в видимом и ближнем инфракрасном спектре подтверждают эту версию. По этим данным, поверхность Хаумеа состоит в равной доле из аморфного и кристаллического льда, а также простейших органических соединений (не более 8%). Такое большое количество аморфного льда подтверждает, что столкновение произошло более 100 млн лет назад. Это хорошо согласуется с результатами динамических исследований и делает несостоятельной версию о молодости астероидов данного семейства. А отсутствие следов метана и аммиака или их соединений позволяет исключить возможность наличия криовулканизма на их поверхности.

Источник: galspace.spb.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.