«Пограничная застава» на окраине Солнечной системы

Внешняя граница пояса Койпера

Поразительной особенностью пояса Койпера является то, что его «внешняя граница… на расстоянии 47 астрономических единиц от Солнца выражена очень резко » . http://galspace.spb.ru/index71.html

Схема http://www.gazetakoroleva.ru/graphics2009/138_357.jpg

«Пояс Койпера имеет две загадочные особенности. Во-первых, он не истончается постепенно, как можно было бы ожидать от остатков первичного газопылевого облака, из которого некогда образовалось Солнце и его планеты, а почему-то резко обрывается на расстоянии 50 астрономических единиц от Солнца, будто срезанный, так что дальше практически никаких транснептуновых объектов нет . А во-вторых, даже внутри пояса Койпера есть «пустоты», где число транснептуновых объектов очень мало, то есть он похож, скорее, на разделенную щелями систему колец Сатурна, чем на сплошной пояс.

Вторую из этих особенностей можно объяснить резонансными взаимодействиями, и, действительно, эти щели в поясе Койпера находятся именно там, где орбиты транснептуновых объектов оказываются в тех или иных «разрушительных» резонансах с Нептуном. Однако так можно объяснить только щели в поясе, но не полный его обрыв. Поэтому для обрыва предлагаются разные другие объяснения.

На методе компьютерного моделирования с выбором наилучшего варианта основаныгипотезы группы исследователей — авторов и сторонников так называемой «модели Ниццы» во главе с А. Морбиделли, Х. Левисоном, Р. Гомесом и К. Циганисом.

«Модель Ниццы» родилась как попытка ответить на три нерешенных вопроса истории Солнечной системы: как возникли нынешние орбиты планет, каким образом у Юпитера появились его так называемые «Троянские спутники» и почему на ранних этапах существования Солнечной системы небольшие внутренние планеты подверглись внезапной и весьма интенсивной бомбардировке огромными астероидами и метеоритами.

Все эти три вопроса авторы сумели объяснить, приняв, что большие планеты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) поначалу образовались ближе к Солнцу, окруженные огромным облаком небесных тел разного размера, и лишь в результате взаимодействий друг с другом перемещались на привычные нам орбиты. Юпитер дрейфовал внутрь Солнечной системы, остальные — наружу. Расчеты показали, что на первом этапе планеты сдвигались плавно, но затем, когда Юпитер и Сатурн разошлись так, что оказались в резонансе 1:2, их воздействие на остальные планеты и астероиды стало необычайно разрушительным. В течение нескольких миллионов лет вся Солнечная система переживала период потрясений, и многие окраинные тела были сорваны со своих орбит и брошены, как бомбы, на малые внутренние планеты (в далеком прошлом те пережили эпоху «бомбардировки», см. «Знание-сила», № 12 за 2002). На третьем этапе, по той же модели, большие планеты, продолжая взаимодействовать с оставшимися на окраине Солнечной системы телами, вышли на свои нынешние орбиты.

Как показали дальнейшие исследования, «модель Ниццы» может на свой лад объяснить загадки пояса Койпера. По этой модели, протооблако, из которого образовалась Солнечная система, вначале кончалось на месте нынешнего Нептуна, в 30 — 35 астрономических единицах от Солнца. То место, где сейчас находится пояс Койпера, было пустым. Но когда Юпитер и Сатурн оказались в резонансе, значительная часть окраинных тел протооблака была заброшена еще дальше, до 50 астрономических единиц , а после того, как Сатурн вырвался из резонанса с Юпитером, эти тела там и остались, образовав пояс Койпера. В своей недавней работе авторы «модели Ниццы» показали, что при некоторых, вполне правдоподобных предположениях расчетная модель подтверждает, что пояс Койпера должен резко обрываться в 45 — 50 астрономических единицах от Солнца, как это и есть на самом деле .

Модель объясняет также появление главных групп транснептуновых объектов. Когда Нептун, выходя на свою нынешнюю орбиту, оказался рядом с только что возникшим поясом Койпера, он произвел возмущения в орбитах тамошних тел (см. «Знание-сила», № 3 за 2007). Часть из них, находившаяся на орбитах, близких к резонансу 2:3 с Нептуном, постепенно перешла на устойчивые орбиты, точно соответствующие этому резонансу, - так появились плутиносы, включая и сам Плутон с Хароном. Другие же тела были вброшены внутрь Солнечной системы, образовав группу Кентавров, и некоторые из них снова попали в резонанс, только резонанс стабилизирующий (1:1), причем не только с Нептуном, но и с Юпитером, в результате чего стали Троянцами. На их месте в поясе Койпера возникли те пустоты, которые астрономы наблюдают сегодня». (Рафаил Нудельман «Плутиносы, кьюбиуаны и другие горячие и холодные дикари Солнечной системы». 14-10-2008, 12:13). http://nauka.izvestia.ru/space/article86499.html

Схема «Пояс Койпера, орбиты Нептуна и Плутона»

Сдвигал ли Нептун пояс Койпера?

1. В поясе Койпера недостача?

«Астрономы обнаружили и описали уже более тысячи объектов, составляющих так называемый пояс Койпера, расположенный по ту сторону Нептуна. Некоторые достигают в поперечнике 1000 и более километров. Очевидно, они образовались путем слияния небольших небесных тел. Однако расчеты показывают, что подобные события будут происходить сравнительно часто, если суммарная масса пояса Койпера превышает массу Земли в десять раз . По результатам же наблюдений, она не составляет и десяти процентов земной массы . Но, может быть, на окраине Солнечной системы было когда-то «многолюднее», чем теперь, и лишь со временем пояс Койпера потерял 99% своей массы? Как показали Харольд Льюисон и Алессандро Морбиделли, в подобной гипотезе нет надобности. Некогда пояс Койпера располагался гораздо ближе к Земле , и лишь позднее Нептун оттеснил все эти астероиды на периферию нашей планетной системы ». («Природа Нептуна вызывает немало вопросов у исследователей » 16-08-2007, 11:55). http://nauka.izvestia.ru/space/article77099.html

2. Нептун не сдвигал пояс Койпера

«Астрофизики из университета Виктории в Канаде продемонстрировали, что так называемый пояс Койпера — пояс небольших небесных тел на периферии Солнечной системы — вопреки современным представлениям ученых всегда находился в этом участке космического пространства и не был смещен сюда гравитацией Нептуна , сообщается в статье исследователей, принятой к печати в журнале «Astrophysical Journal Letters».

Астрономы полагают, что наша Солнечная система выглядела совсем иначе, чем теперь, в первые миллионы лет своего существования. По мере ее эволюции орбиты планет претерпевали значительные изменения — Нептун сместился на периферию системы, тогда как Юпитер придвинулся немного ближе к Солнцу. Как менялись орбиты Сатурна и Урана, ученым понятно в меньшей степени, хотя большинство полагает, что эти планеты все-таки, подобно Нептуну, тоже увеличили радиусы своих орбит.

При этом движение Нептуна должно было оказать влияние на местоположение пояса Койпера, находящегося в настоящее время за его орбитой относительно Солнца.

Алекс Паркер (Alex Parker) и его научный руководитель Джон Кавелаарс (John Kavelaars) проводили моделирование движения объектов в этом поясе, многие (около трети) из которых достаточно крупны и имеют более 100 километров в поперечнике. Более всего ученых интересовали так называемые двойные системы — тела, одно из которых вращается вокруг другого по мере того, как оба совершают обороты вокруг Солнца .

«Двойные системы очень полезны для астрономов, так как их орбиты очень сильно зависят от окружения. Мы можем их использовать для изучения как современного состояния межпланетного пространства, так и его состояния в далеком прошлом»,- пояснил Паркер, слова которого приводит пресс-служба Американского астрономического общества.

В своей модельной работе ученые показали, что двойные системы в поясе Койпера вращаются на очень широких орбитах с медленной скоростью , что было бы невозможно в том случае, если пояс был когда-либо в прошлом смещен на свою нынешнюю позицию в результате движения планеты Нептун.

«Объекты в поясе Койпера не находились бы сейчас на своих орбитах, если бы когда-либо в прошлом испытывали на себе воздействие Нептуна» , — сказал Паркер.

Интерес астрономов к поясу Койпера вызван тем, что образующие его тела представляют собой осколки материи, сформировавшей в прошлом все планеты солнечной системы.

"Понимание структуры и истории пояса Койпера поможет нам понять и процессы формирования планет не только в нашей системе, но и в других планетных системах, обнаруживаемых в настоящее время", — подытожил Паркер». (Москва — РИА «Новости». 06 окт 2010, 14:50). http://www.rian.ru/science/20101006/282796695.html

3. Образование двойных объектов в поясе Койпера в результате обмена (Kuiper-belt Binary Formation through Exchange Reactions)

«Пояс Койпера и основной Пояс астероидов образовались из одного и того же протопланетного облака, но последние наблюдения транснептуновых объектов (TNO) [указали на следующие] различия:

1. Доля двойных в поясе Койпера на порядок выше .

2. Отношение масс большинства двойных объектов пояса Койпера близко к 1.

3. Орбиты двойных объектов в поясе Койпера более широкие и более вытянутые ». http://www.astronet.ru/db/msg/1177733/ss.html

Рис. «Бинарные (двойные) астероиды» http://www.wallon.ru/_ph/13/359109291.jpg

Дефицит «малой фракции» объектов пояса Койпера

«Интенсивные исследования и целенаправленный мониторинг пояса Койпера поставили ученых перед очередной загадкой…

К настоящему времени обнаружено свыше тысячи так называемых «объектов пояса Койпера» - небесных тел относительно небольшой (по сравнению с «нормальными» планетами) массы, обращающихся за пределами орбиты Нептуна.

Однако среди них чрезвычайно мало относительно небольших – менее 70 км в поперечнике – малых тел . Их доля, по некоторым ранее сделанным оценкам, примерно в 25 раз меньше теоретически предсказываемой. Объяснить это несовершенством инструментов трудно – современные телескопы позволяют увидеть такие тела. Так, на телескопе Хаббла было проведено исследование объектов вплоть до 28,5 звездной величины.

Дефицит малых тел в поясе Койпера остается.

Совместная американо-тайваньская группа два года назад начала программу целенаправленного поиска малых объектов в поясе Койпера «напросвет». Теперь ученые представили первые результаты.

Группа под руководством Чарльза Алкока (Charles Alcock) разработала для поиска сверхмалых объектов пояса Койпера методику, позволяющую обнаруживать объекты пояса Койпера по однократному затемнению ими звезд.

В рамках проекта «Taiwanese American Occultation Survey» (TAOS) проводились фотометрические исследования вариаций света удаленных звезд, расположенных вблизи эклиптики (широта +/- 10 градусов) с помощью трех наземных телескопов апертурой 50 см каждый, удаленных друг от друга на 6 – 60 м. Наблюдения начались в 2005 году.

Была разработана методика статистического анализа данных, собираемых несколькими телескопами. Ни одного статистически значимого события, которое можно было бы трактовать как следствие затмения объектом пояса Койпера света звезды в момент ее наблюдения, обнаружить не удалось. Тем самым удалось наложить верхний предел на распределение объектов пояса Койпера по массам. Малых объектов аномально мало – по крайней мере в десятки раз меньше, чем следовало бы ожидать. Загадка дефицита «малой фракции» объектов пояса Койпера остается. Наблюдения продолжаются…» (12 октября 2008, 19:20). http://rnd.cnews.ru/natur_science/astronomy/news/top/index_science.shtml?2008/10/09/322101

Крупнейшие объекты пояса Койпера. http://planetarium-kharkov.org/?q=node/568

Вспышки в поясе Койпера

1. «12 января 2006 года Атоку Накамура, астроном-любитель из Аляски, фотографируя звездное небо, зафиксировал вспышку неизвестного происхождения. Дальнейшие наблюдения совместно с астрономами других стран позволили запечатлеть еще три схожие вспышки. Компьютерная обработка данных показала, что источник излучения находился на расстоянии восьми миллиардов километров от Земли, в так называемом поясе Койпера — месте, где располагаются многочисленные планетоиды, то есть небольшие планеты, по размерам уступающие Марсу, но зачастую превосходящие Пуну. Спектрографический анализ обнаружил поразительное сходство параметров вспышек с ядерным взрывом мощностью от шестидесяти до трехсот килотонн. Участники наблюдений сформировали инициативную группу астрономов-любителей и оповестили о своей находке научное сообщество, в том числе руководство крупнейших обсерваторий Земли. Однако отклики были вялыми: ученые-профессионалы сочли, что имеет место ошибка наблюдений, либо их просто мистифицируют.
Инициативная «Группа 2006», в которую вошли астрономы многих стран, решила продолжать наблюдение своими силами, чтобы предъявить новые доказательства. В 2007 году была зафиксирована новая вспышка, в 2008 — еще одна, и, наконец. 9 декабря 2009 года — последняя на текущий момент. Атоку Накамура, главный координатор «Группы 2006», 21 декабря 2009 года выпустил меморандум, в котором отразил все факты, имеющиеся в его распоряжении. По-прежнему источники вспышек располагаются в поясе Койпера, характер вспышек сходен с таковым при ядерном взрыве мощностью от ста килотонн и выше . Учитывая колоссальные размеры пояса Койпера и ограниченные возможности любителей можно предположить, что на самом деле вспышек могло быть гораздо больше.
Но главным в меморандуме было другое. Накамура заявил, что располагает сведениями, будто правительственные обсерватории отнюдь не игнорировали первое заявление инициативной группы от 2006 года, напротив, сейчас развернуты широкомасштабные проекты по изучению аномальных вспышек. Проекты эти по масштабам неизмеримо крупнее, чем проводимые «группой 2006», в них задействованы, помимо земных обсерваторий также и космические аппараты, в частности рентгеновский телескоп Astro-E2, гамма-телескоп GLAST, оптический телескоп Hubble, инфракрасный телескоп WISE. Однако никаких сведений о результатах, хотя бы промежуточных, в научном сообществе не публиковалось… Никаких достоверных сведений нет…
Существует вероятность, что феномены, наблюдаемые в поясе Койпера, имеют естественный характер, пока не понятный науке… В любом случае «группа 2006» продолжит самостоятельные наблюдения за событиями в поясе Койпера». (25.07.2010, 14:44). http://www.uznaj.com/index.php?option=com_content&view=article&id=80:neizvestnaja-woina&catid=39:kosmos&Itemid=62

2. Сообщение «iinii» 07 марта 2010, 22:56:26 в форуме http://www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/yabb2/YaBB.pl?num=1267991767/1 : «На днях прочитал в солидном журнале статью о том, что на расстоянии 8 миллиардов км от Земли в поясе Койпера астрономами разных стран на протяжении последних пяти лет наблюдаются вспышки, по своим характеристикам соответствующие тем, что бывают у термоядерных взрывов. Информация об этом утаивается ведущими державами». http://artefact-2007.livejournal.com/27256.html

Схема «Пояс Койпера и облако Оорта». http://jcboulay.free.fr/astro/sommaire/astronomie/univers/galaxie/etoile/systeme_solaire/kuiper/nuage_oort.jpg

[

Пояс Койпера - это регион в Солнечной системе, который начинается за Нептуном. Но ученые на данный момент не знают, где он заканчивается. Мы не знаем, что происходит на наружном крае пояса Койпера и где он находится, но мы знаем, что он очень далеко: некоторые открытые объекты пояса Койпера имеют необычные орбиты, которые в 2000 раз больше, чем расстояние между Землей и Солнцем.

Открытие пояса Койпера

Никто не предсказывал обнаружение пояса Койпера. Никто не писал работу, в которой бы говорилось: «Ищите здесь объекты такой-то яркости, такого-то размера и в таком-то количестве». Но были предположения. Самое известное из них - это предположение Джерарда Койпера, американского астронома голландского происхождения. В 1951 году он написал работу, в которой говорил, что это странно, что Солнечная система заканчивается на Плутоне, и, возможно, она продолжается и после него. Это звучит нормально для современных читателей. Но, кроме того, Койпер сказал: «Если бы на границе Солнечной системы были маленькие объекты, гравитация Плутона (которого мы считаем таким же массивным небесным телом, как Земля, или больше) давным-давно дестабилизировала бы орбиты этих объектов, а этот регион был бы пуст». Койпер был неправ насчет Плутона: он не так массивен, содержит только 0,2% массы Земли и не оказывает такого эффекта на окружающие небесные тела. Ирония состоит в том, что Койпер не предположил существования того, что впоследствии стало называться поясом Койпера. Он предположил, что его там нет. Это пример закона Стиглера: «Никакое научное открытие не было названо в честь первооткрывателя». Закон Стиглера был открыт Робертом Мертоном, что доказывает это утверждение.

Джерард Койпер (1905–1973)

До Койпера ученые также выдвигали разные предположения. Одно из них было сделано в 1943 году во время Второй мировой войны ирландцем по имени Кеннет Эджворт. Он написал одно или два предложения в своей статье и сказал: «Возможно, есть какие-то небесные тела на крае Солнечной системы, которые слишком тусклые, чтобы мы их увидели (он назвал их кластерами), и, возможно, они относятся к кометам». Но это не научное предположение, оно ни на чем не основано, и с ним ничего нельзя сделать. Это напоминает записи Нострадамуса, который в XVI веке случайно предсказал Вторую мировую войну и убийство президента Кеннеди. Если вы пишете что-то расплывчатое, вы оставляете для будущих поколений простор для раздумий. Кто-то может решить, что вы знали, о чем говорили, хотя на самом деле это было не так.

Когда мы начали искать пояс Койпера в 1986 году, компьютеры были такими слабыми, что никто не мог вычислить динамику Солнечной системы. Нужно было работать с приблизительными цифрами, которые складывались аналитически, а это очень сложно. В то время был большой интерес к тому, откуда приходят короткопериодические кометы, потому что их предполагаемый источник - облако Оорта - еще не был найден. Уругвайский астроном Хулио Фернандез написал статью в 1980 году, предположив, что за Нептуном может существовать область, откуда приходят короткопериодические кометы. Эта статья уже была похожа на научное предположение. В отличие от работ Койпера и Эджворта, она кажется убедительной в ретроспективе. Но она не мотивировала ученых на поиски, включая нас. Звучит плохо, но это была просто еще одна статья.

Первые объекты пояса Койпера

Научный метод часто описывается как предположения, которые доказаны наблюдениями. Но наука часто работает не так. В астрономии почти ничего не открывается с помощью предположений и почти все важное открывается случайно. Теории часто создаются, чтобы описать новые вещи, которые поддаются наблюдениям. Редко бывает так, что выдвинутое предположение подтверждается наблюдениями. Мы просто недостаточно хороши для этого. Тем не менее без подходящей модели в 1985 году мы бы не знали, что тот факт, что на границах Солнечной системы пусто, кажется странным. За Сатурном были Уран, Нептун и Плутон - три объекта. При этом внутренняя часть Солнечной системы полна разных объектов: астероидов, комет, других планет. И это было очень странно: почему Солнечная система должна быть пустой с краю и полной объектов внутри? Вот почему мы решили провести исследование. Она пустая, потому что все объекты отдалены, либо она пустая, потому что далекие объекты слишком тусклые, чтобы мы их заметили. Мы не думали о поясе Койпера, не думали о том, что находится за Нептуном, мы были счастливы, что знаем хотя бы, что находится за Сатурном, и больше не о чем было говорить. В итоге мы начали исследование, которое назвали «исследование медленных объектов». Оно было нацелено на то, чтобы найти что-то за Сатурном.

Оказалось, что очень сложно посчитать расстояние до объекта, если вы не используете особую геометрию, чтобы направить телескоп прямо по направлению к Солнцу. Когда вы делаете это, скорость движения объекта по небу обратно пропорциональная расстоянию из-за параллакса. Это как два самолета: тот, что летит выше на скорости 50 миль/час, дольше пересекает небо, а тот, что летит низко на той же скорости, пересекает небо очень быстро. Мы можем измерить расстояние исходя из скорости. Мы использовали эту простую тактику наблюдения противоположно Солнцу, а затем использовали параллакс, чтобы измерить расстояние. Вот почему мы назвали это «исследованием медленных объектов». Мы искали медленно движущиеся объекты, потому что, скорее всего, эти объекты расположены очень далеко.

Мы годами не могли найти ничего интересного. Мы нашли много объектов вроде астероидов внутри Солнечной системы, но не нашли ничего за Сатурном, а искали именно это. Мы потратили около 5 лет на это исследование и не находили ничего ценного вплоть до 1992 года. А потом нашли объект. Он был не просто за орбитой Сатурна - он был далеко за пределами известного региона Солнечной системы. Мы назвали этот объект 1992 QB1. Это был самый далекий объект, который когда-либо наблюдался в Солнечной системе.

Это было захватывающе. Дело в том, что, пока ты не найдешь первый объект, ты не знаешь, бесполезно ли то, что ты делаешь, не знаешь, в правильном ли направлении ты ищешь. Ты даже не знаешь, есть ли там что искать. Но как только ты находишь один объект, все сомнения исчезают. Это так влияет на всю работу, на образ мыслей, что ты переходишь за все психологические барьеры. То, что казалось невозможным, становится обычным делом, когда это уже сделано. Я работал вместе с Джейн Лу, которая была постдоком в то время. После того как мы нашли 1992 QB1, мы начали находить и другие объекты. Мы нашли около 40 или 50 объектов в течение следующих нескольких лет. Другие ученые присоединились к этой игре, и к середине 2016 года общее число известных объектов составляло почти 2 000. Это очень много.

Объекты пояса Койпера и миграция планет

Вскоре мы сделали много удивительных открытий, касающихся пояса Койпера. Например, мы обнаружили, что есть разные виды объектов пояса Койпера. Мы дали им разные названия: классические, резонансные, рассеянные и обособленные. Они динамически отличаются друг от друга - в основном по причинам, связанным с гравитационным контролем Нептуна, который является довольно массивной планетой (в 16 раз массивнее Земли) и находится не так далеко от некоторых объектов пояса Койпера. Нептун накладывает динамическую структуру на пояс Койпера из-за своего гравитационного влияния. Мы доказали, что Плутон - это просто один из больших объектов пояса Койпера, определили распределение размеров и масс в поясе Койпера и поняли, что это только верхушка айсберга: из объектов, которые мы видели, мы извлекли 100 000 объектов пояса Койпера больше сотни километров и миллиард объектов больше одного километра. Поразительно, что раньше они были полностью неизвестными.

Несмотря на то что объектов пояса Койпера очень много, мы обнаружили, что их масса довольно мала и равна только 10% от массы Земли. Это было загадкой: как формируются эти тела, если у них такая маленькая масса? Очень мало материала распространено по большому объему пояса Койпера. Эти тела растут очень медленно. Модели малой массы пояса Койпера стали горячей темой. Они были основаны на идее, что пояс Койпера был гораздо более массивным, когда начал формироваться, - в 20 или 40 раз массивнее Земли. Но большая часть массы была потеряна.

Орбитальный резонанс

Ключ к пониманию потери массы заключается в другом сделанном нами наблюдении. Оно состоит в том, что объекты пояса Койпера «привязаны» орбитальным резонансом Нептуна. Это значит, что их сидерический период обращения, деленный на сидерический период Нептуна, - это отношение малых целых чисел. Например, в резонансе от 3 до 2 Нептун трижды обходит Солнце за то же время, за которое объекты пояса Койпера успевают обогнуть Солнце только два раза. Это значит, что сила притяжения Нептуна действует на тела в той орбите, поэтому сила растет, как когда мы качаем качели и сила приумножается со временем.

Это открытие сделала Рену Малхотра из Аризоны в 1990-х годах вскоре после открытия пояса Койпера. Наблюдение за первыми резонансными объектами привело к появлению этой прекрасной модели. Но вопрос в том, как затянуть эти объекты в резонанс. Если просто разбросать объекты пояса Койпера, немногие из них войдут в такой резонанс, какой мы наблюдаем. Рену объяснила и это. Она отталкивалась от работ Фернандеза и Уинга Ипа, в которых говорилось, что планеты мигрируют. Радиусы орбит планет не всегда были такими, как сейчас: Нептун, к примеру, сначала был ближе к Солнцу, а затем двигался по направлению от него.

И пока он отходил дальше, его резонансы выталкивались и собирали объекты пояса Койпера. Это похоже на то, как снег собирается в лопате, когда мы ее в него заталкиваем. По мере того как резонанс пересекал пояс Койпера, объекты к нему «прилипали». Это объясняет, почему в орбитальном резонансе так много объектов. Это единственное объяснение тому, почему в резонансе с Нептуном находится так много тел. Пояс Койпера показывает, что планеты сформировались не на тех орбитах, на которых они находятся сейчас. Они мигрируют.

Влияние на Солнечную систему

Пояс Койпера сильно повлиял на понимание происхождения и динамики Солнечной системы. До этого Солнечная система была похожа на часы: набор планет, вращающихся вокруг Солнца непринужденно, стабильно, предсказуемо и даже скучно. После обнаружения пояса Койпера, а особенно резонансных объектов, из-за которых мигрируют планеты, появились необыкновенные возможности. Если планеты уносились туда, где они находятся сейчас, они, возможно, прошли через резонансы друг друга. Если это так, то они сотрясли Солнечную систему, и произошли разные хаотичные процессы. В некоторых моделях потеря 99,9% объектов пояса Койпера могла произойти в результате сильного сотрясения Солнечной системы, которое случилось в результате взаимодействий между Юпитером и Сатурном, которое произошло в результате миграции планет.

Понимание того, что структура пояса Койпера зависит от миграции планет, изменило направление исследований Солнечной системы. Особенности, которые не были ожидаемы и которые никто не предсказывал, оказались удивительно важными для понимания нашего места в этой системе. Влияние пояса Койпера на изучение Солнечной системы и эволюции ее формирования было огромным. Наше понимание происхождения архитектуры Солнечной системы сильно отличается от того, что мы думали раньше. И теперь мы понимаем, что Солнечная система работает далеко не как часы.

Пояс Койпера и облако Оорта

Кометы обычно не очень большие (около километра в диаметре), и они теряют массу (она уходит в хвост). Мы можем посчитать, как долго комета может терять массу по нашим меркам. И это происходит не очень долго - около 10 000 лет. Ядро кометы не может быть того же возраста, что и Солнечная система, которой уже 4,5 миллиардов лет. Скорее всего, они недавно появились в Солнечной системе. Другими словами, они только появляются в Солнечной системе где-то недалеко от Земли и, как только они появляются, начинают испаряться. Вопрос в том, откуда они берутся.

Есть два ответа на этот вопрос. Первый был сформулирован в 1950-х годах голландским астрономом Яном Оортом. Он выяснил, что долгопериодические кометы (те, чьи орбиты старше 200 лет) имеют эллиптическую орбиту очень большого размера, которая распространяется рандомно. Примерно равное количество приходит из разных сторон: из северного полушария, из южного, из сферического и изотропного источника. Сферический источник называют облаком Оорта. Оно выглядит как большой пчелиный рой, окружающий Солнечную систему. Он огромный, в 50 000 или 70 000 раз больше расстояния между Солнцем и Землей. Это источник долгопериодических комет. Мы не наблюдаем за объектами в облаке Оорта, потому что они слишком тусклые для наших телескопов. Все, что мы знаем об облаке Оорта, включая сведения о его существовании, было получено из комет, которые выбились из облака Оорта гравитацией пролетающих мимо звезд.

Комета ISON проходит мимо Венеры. Комета прилетела из облака Оорта

С другой стороны, короткопериодические кометы (с периодом меньше 200 лет) имеют относительно малую и круглую орбиту. Они распределены не рандомно, а, напротив, совмещены с плоскостью орбит Солнечной системы. Вопрос тот же: откуда они берутся? Оорт говорил, что они приходят из облака Оорта, но Юпитер смог поймать их и переломить их орбиты так, чтобы они сформировали диск. Эта идея принималась с 1950-х до 1980-х годов. Но оказалось, что Юпитеру сложно схватывать достаточно долгопериодических комет из облака Оорта и делать их короткопериодическими.

Пояс Койпера, который мы знаем, поставляет Солнечной системе короткопериодические системы. И так как пояс гораздо ближе (50 астрономических единиц вместо 50 000 астрономических единиц облака Оорта), мы можем наблюдать за ним, а не просто за предметами, которые залетели в околоземное пространство. Это еще одна причина, по которой пояс Койпера так нашумел среди астрономов.

Пояс Койпера и другие звездные системы

Остаточные диски - это аналоги пояса Койпера, которые находятся вокруг других звезд. Многие звезды того же типа, что и Солнце, имеют диски из пыли, в которых частички пыли в диске не могут жить долго. Мы можем посчитать, как долго существует пыль, и этот срок невелик. Тот факт, что звезда все еще имеет пылевой (или остаточный пылевой) диск, означает, что пыль появляется из какого-то источника. Модель пояса Койпера - это лучший известный нам источник пыли. Одно отличие состоит в том, что большинство остаточных дисков более массивны, чем пояс Койпера. Это сходится с той мыслью, что пояс Койпера был гораздо более массивен, чем он есть сейчас. Если посмотреть на массивные остаточные кольца, можно понять, как выглядела молодая Солнечная система.

Будущие направления исследований

Обнаружение пояса Койпера дало нам лучшее понимание того, как устроена Солнечная система, но мы все еще не можем видеть далекие ее части. Мы не можем наблюдать за облаком Оорта, потому что оно слишком далеко и объекты недостаточно яркие. Даже внешние части пояса Койпера не так просто найти. Мы предполагаем, что пояс Койпера смешивается с облаком Оорта, и хотели бы знать, где и как это происходит. Мы бы хотели измерить орбитальную структуру пояса более детально. Тогда у нас были бы более сильные догадки о происхождении и эволюции Солнечной системы. Например, резонансный захват работает по-разному, если планеты мигрируют медленно и плавно и если они мигрируют быстро и в прыгающем режиме. Измерения орбит объектов пояса Койпера потенциально могут рассказать нам, как мигрировал Нептун, и, возможно, даже как и как долго он это делал. Мы построили модели, которые адаптируются к новым наблюдениям Солнечной системы, но некоторые особенности остаются непонятными. Внешний край классического пояса Койпера - это не природная последовательность предложенных моделей. Будущие наблюдения могут помочь решить эту проблему, но важнее построить новые модели, чтобы улучшить общее понимание устройства Солнечной системы. В конце концов мы бы хотели исследовать пояс Койпера с помощью космического судна. К сожалению, существующие ракетные технологии не готовы к этой задаче. В ближайшие десятилетия прогресс придет из наблюдений с помощью наземных и космических телескопов.

Рисунок астероида из пояса Койпера

Когда мы смотрим в чёрное небо, то понимаем, что светящиеся точки бесконечно малы по сравнению с тёмной пустотой. Чаще любуемся звёздами, реже наблюдаем планеты, но они не единственные жители космоса. В этой кажущейся пустоте находятся целые миры, скопления, огромные семьи небесных тел.

Пояс Койпера - ледяной мир на окраине Солнечной системы. Это пространство, состоящее из малых объектов. Многие из них меньше нашей подружки — Луны. Пояс расширяется за орбитой Нептуна и выглядит, как пончик: толстенький и круглый.

Учёные считают Пояс Койпера родным домом комет. Там рождаются короткопериодические кометы. Они проходят по орбите менее, чем за 200 лет.

Количество жителей ледяного семейства неизвестно. Предполагаются сотни тысяч объектов и триллион комет. На данный момент подтверждено существование 1300.

Карликовые планеты, принадлежащие Поясу Койпера, обладают тоненькими атмосферами, которые разрушаются, по мере отдаления планеты от Солнца. У некоторых из них есть крошечные спутницы - луны. Особенные из них, больше Плутона. Из-за этого факта Плутон лишили статуса планеты. Совершенно понятно, что в ледяном мире жизни быть не может.

В 2015 году учёные надеются узнать много нового о поясе Койпера от космической миссии «Новые горизонты», которая приближается к Плутону.

Его открыли, потому что очень этого хотели

Астрономы только предполагали наличие объектов за Плутоном. Споры велись весь двадцатый век. В 1943 г. Кеннет Эджворт выдвинул гипотезу, что кометы, посещающие Солнечную систему, это небесные тела, проживающие за её внешней границей. По неизвестным причинам они покидают привычные места и путешествуют ближе к Солнцу. Своё имя Пояс Койпера получил от Джерарда Койпера. Астроном говорил о возможности наличия диска из множества ледяных тел, но считал влияние Плутона достаточно сильным. Предполагал, что Плутон рассеял тела к далёкому облаку Оорта.

По мере того, как учёные обнаруживали на орбитах Урана, Сатурна, Нептуна ледяные планетоиды, гипотеза об огромном скоплении таких тел крепла и ждала своего подтверждения. Доказательство нашли Девид Джуит и Джейн Лу. Пять лет фотографировали и изучали кажущуюся пустоту. В августе 1992 года они увидели первый объект пояса Койпера, затем, через шесть месяцев, второй объект. Сейчас, в ходе исследования известных тел, продолжают открывать всё новые и новые объекты.

Жители Пояса Койпера

Астрономы называют тела в этой области - объект пояса Койпера, сокращённо ОПК. Исследования ОПК основываются на параметрах отражающей поверхности. Так определяют размер. По составу ОПК содержат, в замороженном состоянии, углекислый лёд, азот, метан, аммиак, метанол, возможно воду. Точное количество обитателей пояса неизвестно. При открытии нового объекта, учёные классифицируют его, как планету или астероид. На это уходят годы, потому что видимость ограничена, сведения минимальны и чаще, приходится основываться на предположениях.

Хаумеа

Хаумеа со спутниками

Наиболее необычным ОПК является Хаумеа. Предполагают, что она образовалась от сильнейшего удара в результате столкновения. Сейчас Хаумеа и её две маленькие луны, Хииака и Намака, кружатся с поразительной скоростью - один оборот вокруг оси за четыре часа. За счёт такого стремительного вращения Хаумеа похожа на мяч для регби.

Планета Седна названа в честь ледяной эскимоской богини. Период её вращения 10500 лет. Она отдаляется от Солнца в самую холодную область системы. Седну не всегда причисляют к ОПК, потому что она путешествует значительно дальше, но открыта благодаря изучению Пояса Койпера.

Эрида и Дисномия

Карликовая планета Эрида меньше Плутона на 10%. Она совершает оборот вокруг Солнца за 560 лет. Имеет спутницу - луну Дисномию.

Плутон

Плутон самый известный ОПК. Долгое время его считали ледяным изгнанником на окраине системы. Сейчас, он член многочисленного семейства карликовых планет. Им дали название «плутинос», за наличие схожих характеристик.

Харон

Харон ближайший спутник Плутона. Они настолько влияют друг на друга, что учёные дали им определение «двойной планеты». Атмосферы планет связаны между собой. Однако, они отличаются по своему составу. Харон покрыт водяным льдом, а Плутон - азотным.

Квавар один из крупнейших объектов. Его диаметр около 1300 км. Планета состоит из камня и водяного льда.

На её поверхности 220 гр. мороза. Имеет спутник - Вейвот, 100 км в диаметре.

Макемаке совершает свой круг вокруг Солнца за 306 лет. Поверхность покрыта метановым снегом и льдом. Имеет временную атмосферу из азота, которую уносит планетарный ветер при удалении от Солнца.

Для учёных-астрономов Пояс Койпера - это неисчерпаемый источник сюрпризов. Они открывают, сравнивают, спорят и определяют всё новые планеты и астероиды. Для изучения используется самая современная техника. Эта область Солнечной системы ещё не раз удивит впечатляющими открытиями.

Часто называют границей Солнечной системы. Этот диск простирается на расстоянии от 30 до 50 а.е (1а.е.=150 млн.км) от Солнца. Его существование было достоверно подтверждено не так давно, и сегодня его исследование является новым направлением планетарных наук. Пояс Койпера был назван в честь астронома Жерарда Койпера (Gerard Kuiper), предсказавшего его существование в 1951 году. Предполагается, что больинство объектов пояса Койпера по составу представляют собой лёд с небольшими примесями органических веществ, то есть близки к кометному веществу.

В 1992 году астрономы обнаружили красноватое пятнышко на расстоянии 42 а.е. от Солнца – первый зарегистрированный объект пояса Койпера , или транснептуновый объект. С тех пор их было обнаружено более тысячи.

Объекты пояса Койпера делят на три категории. Классические объекты имеют приблизительно круговые орбиты с небольшим наклонением, не связаны с движением планет. Самые известные малые планеты, в основном, из их числа.

Резонансные объекты образуют орбитальный резонанс с Нептуном 1:2, 2:3, 2:5, 3:4, 3:5, 4:5 или 4:7. Объекты с резонансом 2:3 называются плутино в честь самого яркого их представителя - Плутона.

Астроном Джерард Койпер, в честь которого назван пояс Койпера

Рассеянные объекты имеют большой эксцентриситет орбиты и могут в афелии удаляться от Солнца на несколько сотен астрономических единиц. Считается, что такие объекты однажды слишком близко подошли к Нептуну, гравитационное влияние которого вытянуло их орбиты. Ярким примером этой группы является Седна.

Международный астрономический союз (IAU - International Astronomical Union) занимается номенклатурой планет и спутников с 1919 года. Решения этой организации влияют на работу всех профессиональных астрономов. Однако иногда IAU делает рекомендации по астрономическим вопросам, которые будоражат всю общественность. Одной из таких рекомендаций был перевод Плутона к категории карликовых планет. Теперь он относится к транснептуновым объектам, и является вторым по величине и самым известным из них.

Одним из крупнейших объектов пояса Койпера является 2002 LM60, называющийся также Квавар, или Кваовар (Quaoar). Название Квавар пришло из мифологии народа Тонгва (Tongva), проживающего некогда на территории нынешнего Лос-Анджелеса, и обозначает великую созидательную силу.

Квавар обращается на орбите, диаметром около 42 а.е. с периодом 288 лет. Впервые он был сфотографирован еще в 1980 году, но к числу транснептуновых тел был причислен только в 2002 году астрономами Майком Брауном (Mike Brown) и его коллегами Калифорнийского Технологического Института (Caltech) в Калифорнии.

Диаметр Квавара около 1250 км, приблизительно, как и у Харона, образующего с Плутоном двойную систему. Он был самым крупным объект пояса Койпера с момента открытия Плутона в 1930 году и Харона в 1978 году. И он действительно огромен: его объем приблизительно эквивалентен суммарному объему 50 000 астероидов.

Обнаруженный в 2004 году 2004 DW, известный как Орк, или Оркус (Orcus) оказался и того больше – 1520 км в диаметре. Радиус его орбиты около 45 а.е.
Еще один объект пояса Койпера 2005 FY9 с условным названием «Пасхальный кролик» (Easterbunny) был открыт 31 мая 2005 года той же командой Майка Брауна из Технологического Института Калифорнии (Caltech). О его открытии было объявлено 29 июля, одновременно с сообщением об еще двух транснептуновых объектах: 2003 EL61 и 2003 UB313, известной также как Эрис (Eris).

2005 FY9 пока единственное официальное название объекта. Обнаруженный космическим телескопом Spitzer, он до сих пор остается загадкой. Его диаметр составляет от 50 до 75% диаметра Плутона.

2003 EL61, не имеющий пока официального названия, имеет приблизительно такие же размеры, но он ярче, что сделало его одним из самых известных транснептуновых объектов.

2003 EL61, как и Плутон, имеет период обращения 308 лет, но его орбита имеет больший эксцентриситет. Благодаря высокой отражательной способности 2003 EL61, он является третьим по яркости объектом пояса Койпера после Плутона и 2005 FY9. Он столь ярок, что иногда его даже можно увидеть в мощные любительские телескопы, хотя его масса составляет всего 32% от массы Плутона. 2003 EL61 относится к типу рассеянных объектов пояса Койпера.

Интересно, что 2003 EL61 имеет два спутника. Хотя ученые уже спокойно относятся к тому, что большинство объектов пояса Койпера могут оказаться сложными планетными системами.

Эрис, причисленная сначала к рангу планет, а затем переведенная вместе с Плутоном в группу транснептуновых объектов, на сегодняшний день считается малой планетой и является крупнейшим объектом пояса Койпера.

Диаметр Эриды 2400 километров, что на 6% больше диаметра Плутона. Ее масса была определена благодаря ее спутнику – крошечной Дисномии, имеющей период обращения 16 суток. Интересно, что сначала карликовую планету и ее спутницу первооткрыватели планировали назвать Зеной и Габриэль в честь героинь известного сериала.

В марте 2004 группа астрономов объявила об открытии малой планеты, вращающейся вокруг Солнца на очень большом расстоянии, где солнечная радиация исключительно мала. Майк Браун (Mike Brown) в сотрудничестве с доктором Чедом Труйльо (Chad Trujillo) из обсерватории Gemini, Гавайи, и доктором Дэвидом Рабиновичем (David Rabinowitz) из Йельского Университета обнаружили ее еще в 2003 году. Обнаруженная малая планета получила официальное название 2003 VB12, но больше известна как Седна (Sedna) – богиня эскимосов, живущая в глубинах Северного Ледовитого океана.

Период обращения Седны 10 500 лет, ее диаметр чуть более четверти диаметра Плутона. Ее орбита вытянута, и в своей дальней точке она удаляется от Солнца на 900 а.е. (для сравнения радиус орбиты Плутона 38 а.е.). Открыватели Седны причислили ее к объектам внутренней части облака Оорта, поскольку она никогда не приближается к Солнцу ближе, чем на 76 а.е. Однако классическом объектом области Оорта Седну считать нельзя, поскольку, даже несмотря на исключительны вытянутую орбиту, ее движение определяет солнце и объекты Солнечной системы, а не случайные возмущения извне. Сама Седна необычна, ведь довольно странно было обнаружить такой крупный объект в пустом протяженном пространстве между поясом Койпера и облаком Оорта. Возможно, облако Оорта простирается на большее, чем считалось ранее расстояние внутрь Солнечной системы.

Сегодня считается, что Седна относится к числу рассеянных объектов пояса Койпера, к которым также относятся 1995 TL8, 2000 YW134 и 2000 CR105. 2000 CR105, открытый еще восемь лет назад, уникален своей исключительно вытянутой орбитой, большая полуось которой, равна почти 400 а.е.

Другая особенность Седны – ее красноватый оттенок. Краснее ее только Марс. А температура на поверхности удивительной малой планеты не превышает -240°С. Это очень мало и напрямую замерить тепло от планеты (инфракрасное излучение) невозможно, поэтому используются данные из множества доступных источников.

Так же обстоит дело и с остальными объектами пояса Койпера. Более того, измерить диаметр этих объектов очень трудно. Как правило, их размер определяется по яркости, зависящей от площади поверхности. Принимается, что альбедо малой планеты равен альбедо комет, то есть около 4%. Хотя последние данные говорят о том, что она может достигать 12%, то есть объекты пояса Койпера могут оказаться гораздо меньшими, чем считалось ранее.

В частности, интерес вызывает объект 2003 EL61, обладающий слишком высокой отражательной способностью. Приблизительно на такой же орбите было обнаружено еще пять подобных тел. Странно то, что малые планеты недостаточно массивны, чтобы удержать атмосферу, которая могла бы кристаллизоваться и укрыть поверхность.
13 декабря 2005 года была обнаружена малая планета 2004 XR 190, названная Баффи (Buffy). Диаметр Баффи около 500-1000 км, что не является рекордом для малых планет. Удивительно другое: в отличие от рассеянных объектов пояса Койпера, имеющих вытянутую орбиту, 2004 XR 190 отличается почти круговой орбитой (перигелий на расстоянии 52 а.е. от Солнца, афелий - на расстоянии 62 а.е.), наклоненной под углом 47 градусов к плоскости эклиптики. Причина возникновения такой траектории астрономам пока неясна.

До сих пор среди некоторых астрономов бытует мнение, что в пределах пояса Койпера находится некое массивное тело, размером не менее Плутона. Еще в первой половине прошлого века ученые предсказали существование Нептуна по возмущениям, оказываемым им на Уран. Позже американский астроном Персиваль Ловелл (Percival Lowell) попытался обнаружить планету, находящуюся за Нептуном, которая могла бы искажать его траекторию. И действительно, в 1930 году был обнаружен Плутон. Правда тут же выяснилось, что его масса слишком мала (0,002 земной), чтобы ощутимо возмущать движение массивного Нептуна. Поэтому осталось подозрение, что таинственной планетой «Х» был не Плутон, а еще не обнаруженная более крупная малая планета. Впоследствии оказалось, что отклонения в движении Плутона, были лишь ошибкой измерений.

Безусловно, теоретически планета «Х» может существовать, если она мала и достаточно удалена, чтобы оказывать заметное влияние на траекторию движения Плутона.

Но самым близким к нам объектом пояса Койпера может оказаться спутник Сатурна - Феба. Она вращается вокруг планеты в обратную сторону, что говорит о том, что Феба образовалась не в протопланетном диске Сатурна, а где-то еще и позднее была им захвачена.

Спутник Сатурна - Феба

Могла сформироваться на гелиоцентрической орбите недалеко от Сатурна из обломков, сформировавших его ядро. Согласно другому возможному сценарию Феба могла быть захвачена из области, куда как более удаленной. Например, из пояса Койпера. Плотность спутника 1,6г/см3, поэтому нельзя сказать, ближе ли она к Плутону, имеющему плотность 1,9г/см3, или сатурнианским спутникам, плотность которых в среднем около 1,3г/см3. Однако такой показатель слишком ненадежен, чтобы на него опираться. Поэтому этот вопрос остается весьма спорным.

За поясом Койпера находится еще одно более глобальное образование – облако Оорта. Впервые идея существовании такого облака была выдвинута эстонским астрономом Эрнстом Эпиком в 1932 году, а затем теоретически разрабатывалась нидерландским астрофизиком Яном Оортом (Jan Oort) в 1950-х, в честь которого облако и было названо. Біло відвинуто предпоожение, что кометы прилетают из протяженной сферической оболочки, состоящей из ледяных тел, на окраинах Солнечной системы. Этот громадный рой объектов сегодня называется облаком Оорта. Он простирается в сфере, радиусом от 5 000 до 100 000 а.е.

Состоит из миллиардов ледяных тел. Изредка проходящие звезды нарушают орбиту одного из тел, вызывая его движение во внутреннюю часть Солнечной системы как длиннопериодической кометы. Такие кометы имеют очень большую и вытянутую орбиту и, как правило, наблюдаются всего раз. Одним из примеров длиннопериодических комет являются кометы Галлея и Свифта - Туттля (Swift-Tuttle). В отличие от них, короткопериодические кометы, период обращения которых менее 200 лет, движутся в плоскости планет и прилетают к нам из пояса Койпера.

Считается, что Облако Оорта имеет наибольшую плотность в плоскости эклиптики, здесь находится приблизительно одна шестая всех объектов, составляющих облако Оорта. Температура здесь не выше 4К, что близко к абсолютном нулю. Пространство за облаком Оорта Солнечной системе не уже принадлежит, равно как и пограничные области облака Оорта.