Плутон – далекое царство темного бога

В науке существует множество интереснейших проблем, но людей, далеких от нее, почему-то взволновала как раз наименее значимая: «Почему Плутон вдруг перестал быть планетой?» Для подавляющего большинства астрономов такой проблемы просто не существует: для них это обычный объект исследований, далекое небесное тело, изучение которого поможет нам лучше понять историю нашей Солнечной системы.

Плутон — карликовая планета, относящаяся к поясу Койпера, который состоит из ледяных тел размером до 3 тыс. км, движущихся за орбитой Нептуна. До 2006 г. этот объект считался 9-й планетой Солнечной системы. В 2006 г. на XXVI Генеральной Ассамблее Международного Астрономического Союза было выработано определение понятия «планета», согласно которому Плутон был переведен в новую категорию карликовых планет и отнесен к малым телам с присвоением ему номера 134340.

Характеристики Плутона

Большая полуось орбиты (среднее расстояние от Солнца) – 39,4 а.е.
Сидерический период обращения («год») – 247,7 лет
Синодический период (средний) – 367 суток
Сидерический период вращения («звездные сутки») – 6,39 суток
Наклонение орбиты к плоскости эклиптики – 17,14°
Эксцентриситет орбиты – 0,249
Средняя орбитальная скорость – 4,67 км/с
Наклон экватора к плоскости орбиты (вращение обратное) – 57,5°
Наклон полярной оси – 119°
Масса – 1,31×1022 кг = 0,0021 M⊕
Средняя плотность – 1750 кг/м3
Экваториальный радиус – 1185 км = 0,18 R⊕
Ускорение свободного падения на поверхности – 0,58 м/с²
Визуальная звездная величина (2012 г.) – 14m
Давление у поверхности – 0,3-0,4 Па
Температура поверхности – 33-55 К
Состав атмосферы: метан, азот, моноксид углерода [неон, аргон — следы]

Крупнейший спутник Харон

Радиус – 604 км
Масса – 1,52×1021 кг
Радиус орбиты (круговая) – 19 670 км
Наклон орбиты к эклиптике – 64°
Наклонение орбиты к плоскости орбиты Плутона – 57,5°
Период (орбитальный и суточный) – 6,39 дней (обращение обратное, синхронное)
Визуальная звездная величина – 17m

Открытие

Открытие Плутона состоялось в 1930 г., когда Клайд Томбо (Clyde Tombaugh), молодой сотрудник обсерватории Лоуэлла (Флагстафф, Аризона, США), при сравнении большого числа
фотографических пластинок с помощью блинк-компаратора обнаружил крайне слабый — около 15-й визуальной звездной величины — объект, медленно перемещающийся по созвездию Близнецов. Фотосъемкой был охвачен сектор небосвода, который в 1909 г. указали Персиваль Лоуэлл и Уильям Пиккеринг (Percival Lowell, William Pickering) как возможное местонахождение «Планеты Х», вызывающей, как предполагалось, незначительное отклонение видимых положений Урана и Нептуна от расчетных. Но Плутон был
найден не совсем там, где ожидалось. Более того, позже выяснилось, что на самом деле его масса слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемые отклонения его гравитационным воздействием. Сегодня очевидно, что если бы Томбо не посчитал свою задачу выполненной, а продолжил поиски, его ожидали бы открытия целого ряда небесных тел, подобных Плутону и расположенных на сравнимом гелиоцентрическом расстоянии.

Уже в 1930-31 гг. были предприняты попытки оценить массу нового объекта Солнечной системы, опираясь на его блеск и орбитальные параметры. Вплоть до 1978 г. эти оценки, первоначально равные массе Земли, подвергались ревизии, и неизменно в сторону уменьшения. По современным данным, масса Плутона составляет 0,0021 земной (1,3×1022 кг),
причем решающую роль в ее определении сыграло открытие первого плутонианского спутника, получившего имя Харон. Его размеры сравнимы с Плутоном, а высота его круговой орбиты в 20 раз меньше среднего расстояния от Земли до Луны, поэтому правомерно считать эту систему двойной карликовой планетой — пока единственной в своем роде. Плутон и
Харон постоянно обращены друг к другу одной и той же стороной.

Неоднократно выдвигались различные догадки о происхождении Плутона. В 1936 г. появилась гипотеза о том, что он мог быть одним из спутников Нептуна, но в результате сближения с неизвестной планетой оказался выброшенным из его системы, а другой нептунианский спутник — Тритон — под действием гравитационных возмущений перешел на необычную орбиту с обратным вращением. Однако более точные расчеты показали, что орбиты Нептуна и Плутона никогда не пересекались. В 1984 г. было проведено моделирование гипотетического сценария совместного происхождения Тритона и Плутона, доказавшее, что эти тела все же образовались независимо.

Карликовая планета в Поясе Койпера

Из-за большого эксцентриситета своей орбиты Плутон с 1979 г. по 1999 г. находился к Солнцу ближе, чем Нептун. С момента открытия в 1930 г. он все время движется севернее эклиптики, и в настоящее время его высота над ней составляет около одной астрономической единицы.

Блеск Плутона изменяется с периодом 6,387 суток (6 суток 9 часов 17 минут). Это период его осевого вращения. Это же значение имеют два других периода, связанных с Плутоном. Уже в 1978 г. появились подозрения, что чуть вытянутая форма изображения этого объекта на некоторых фотоснимках может означать наличие у него спутника. Согласно последним данным, из-за малого расстояния между Плутоном и Хароном у них может быть общая очень разреженная атмосфера. Период 6,387 суток является также периодом их взаимного обращения вокруг общего центра масс. Зная этот период и радиус орбиты, удалось вычислить суммарную массу системы «Плутон-Харон» (1,47×10↑22 кг = 0,0025 M⊕). Отношение их масс — 1:7 — выше, чем у любой другой пары «спутник-планета» в Солнечной системе.

Плоскость взаимного обращения компонентов системы так наклонена к плоскости, в которой они обращаются вокруг Солнца, что в 1985 г. начались их систематические затмения друг другом, длившиеся по нескольку часов. Полные затмения продолжались с 1988 по 1991 г. Это позволило не только уточнить размеры Плутона и Харона, но даже исследовать распределение участков с различным альбедо (отражающей способностью) по их поверхности. Следующий подобный период затмений повторится только через сотню лет.

Падение общего блеска системы при прохождении Харона через тень Плутона составляло 4%, а когда он сам отбрасывал тень на Плутон — целых 8%, из чего был сделан вывод, что плутонианская поверхность на 30% ярче поверхности Харона. Позже эти данные удалось подтвердить с помощью орбитального телескопа Hubble. Этот инструмент также сделал первые снимки карликовой планеты, позволившие разглядеть детали ее диска.

Гипотетический наблюдатель, находящийся на Плутоне, невооруженным глазом увидит Солнце как ослепительно яркую точку (диск светила с такого расстояния неразличим). Но эта точка довольно неплохо освещает местность: если на орбите Земли освещенность площадки, ориентированной перпендикулярно к солнечным лучам, составляет около 127 килолюкс, то на орбите Плутона — 82 люкс, что примерно эквивалентно естественной дневной освещенности в глубине жилого помещения и в 280 раз выше освещен-
ности, создаваемой полной Луной.

Доказано существование у Плутона атмосферы, причем она не слишком разреженная: ее мощность оценивалась в 7,3×10↑22 молекул над квадратным сантиметром поверхности (около трети содержания углекислого газа в столбе атмосферы Марса). Но эта оценка относится только к метану CH4. Другими важными составляющими газовой оболочки являются азот
N2 и моноксид углерода CO. Возможно также присутствие аргона и неона.

Из-за большого эксцентриситета орбиты поток падающего на плутонианскую поверхность солнечного излучения изменяется на ±56% за 248 лет. За счет этого возникают глобальные колебания температуры, которые должны приводить к накоплению азотно-метановых конденсатов в районе полярных шапок (и на других участках поверхности) в зимний период и к увеличению массы атмосферы летом, в период испарения конденсатов.

Нептун и Плутон движутся в орбитальных резонансах 1:2 и 1:3 относительно Урана. Соответственно друг с другом они находятся в резонансе 2:3 (Плутон совершает два оборота за то время, за которое Нептун совершает три), что может указывать на некоторые особенности происхождения Плутона. В новом свете проблема образования двойной системы «Плутон-Харон» предстала после открытия пояса транснептуновых объектов, или же Пояса Койпера. Объекты этого пояса — для их обозначения употребляют название «койпероиды» — сформировались вдали от Солнца, за пределами зоны, где пролегают орбиты больших планет. Вместо Плутона и других «транснептунов» здесь могла бы возникнуть еще одна планета, но из-за взаимной удаленности и крайне медленного движения тел, составляющих Пояс Койпера, этого не произошло в течение 4,5 млрд лет существования Солнечной системы.