Плутон и другие объекты Пояса Койпера

Начиная рассказ о Поясе Койпера, невозможно не упомянуть о его самых близких крупных представителях — Плутоне и его главном спутнике Хароне.

Для начала позвольте показать вам фотографию, на которой запечатлена наша галактика Млечный Путь, раскинувшаяся над телескопами, с помощью которых я выполняю значительную часть своей работы. Мы видим полосу, сотканную из слившегося воедино свечения множества звезд и туманностей, и темные пылевые облака, заслоняющие собой галактический центр. Каково же положение Солнца в нашем космическом доме?

Млечный Путь над куполами обсерватории Лас Кампанас (Чили), на которой ведут наблюдения сотрудники Института Карнеги. Под «звездной дугой», непосредственно над телескопами — Большое и Малое Магеллановы Облака, ближайшие крупные галактики.

Наше светило удалено от центра Галактики почти на две трети ее радиуса. Его планетную систему можно условно разделить на три области: внутреннюю часть, населенную каменистыми телами, область газовых гигантов и внешнюю — ледяную. Для измерения расстояний внутри Солнечной системы я буду использовать термин «астрономическая единица» (а.е.) — это среднее расстояние от Солнца до Земли. Вместе с другими каменистыми «соседями» наша родная планета относится к первой области. Во второй, газовой области расположены планеты-гиганты, состоящие в основном из водорода и гелия. Я же изучаю объекты, относящиеся к третьей, внешней области, и сложенные, главным образом, изо льда — водяного, метанового и аммиачного. Температура в этом регионе настолько низка, что вещества, которые мы привыкли видеть в газообразном состоянии, там замерзают. Известно, что во внешней области «обитает» несколько карликовых планет.

В Солнечной системе есть два региона, где сконцентрированы остатки материала, не вошедшего в состав больших планет во время их формирования. Первый регион, расположенный между орбитами Марса и Юпитера, называется Главным поясом астероидов и содержит преимущественно каменистые тела. Второй регион — Пояс Койпера — находится за орбитой Нептуна и состоит в основном из ледяных глыб.

Плутон

Долгое время астрономы не знали практически ничего о внешней части Солнечной системы. В 1930 г. был открыт Плутон; кроме того, было известно, что кометы, вероятно, прилетают с далеких окраин «владений» Солнца. Но раньше мы не имели представления о том, каковы размеры этой области и из чего именно она состоит.

Коллаж из фотографий Плутона (справа внизу) и Харона, полученных мультиспектральной камерой Ralph/MVIC (Multispectral Visual Imaging Camera) американского зонда New Horizons во время сближения с ними 14 июля 2015 г. Относительные размеры небесных тел выдержаны в одном масштабе, цвета и яркость воспроизводились в ходе компьютерной обработки с помощью одинаковых процедур и максимально соответствуют естественным. Заметно сходство оттенков необычной темной полярной шапки Харона и таких же темных приэкваториальных регионов Плутона.

Самый крупный спутник Плутона — Харон — открыли в 1978 г. Плутон сам по себе невелик и к тому же находится очень далеко, поэтому на снимках наземных телескопов он выглядел крохотным размытым пятнышком. Однако ученые заметили, что на его изображении имеется небольшой выступ, который перемещается, возвращаясь на исходную позицию с периодом в шесть с половиной суток. Это наблюдение позволило сделать вывод о наличии у Плутона спутника. Позже телескоп Hubble предоставил снимки системы Плутон-Харон, на которых ее элементы были отчетливо видны как два отдельных тела. А в последнее десятилетие у карликовой планеты нашли еще несколько лун (на данный момент их известно 5).

Наиболее детальные фотографии Плутона и его спутников получены, конечно же, благодаря миссии New Horizons, в рамках которой автоматический аппарат пролетел в непосредственной близости от загадочной карликовой планеты. Оказалось, что на ее поверхности присутствует множество сильно отличающихся друг от друга элементов: знаменитая ландшафтная структура в виде сердца, темные и светлые области… Та же картина наблюдается и на Хароне.

Лед из замерзшего азота со сравнительно «свежей» поверхностью. Неправильные многоугольники обтекаемых форм на поверхности азотного ледника свидетельствуют о постоянных конвективных потоках в его толще. Их «подпитывает» энергией жидкий водно-аммиачный океан, скрытый глубоко в недрах карликовой планеты.

Подобное разнообразие сильно удивило ученых. Мы предполагали, что увидим застывший пустынный мир, где не происходит ничего примечательного — а обнаружили бурлящую активность. Полюбившееся всем «сердце» на поверхности Плутона представляет собой равнину из азотного льда. Вероятно, после столкновения с другим небесным телом в глубоком прошлом в этом регионе образовался огромный картер, который заполнил жидкий азот и застыл. Если присмотреться, можно заметить на льду рисунок, отдаленно напоминающий пчелиные соты. Это следы конвекционных потоков, похожих на возникающие в кипящей воде. Вследствие теплообменных процессов в центре каждой ячейки азотный лед перемещается вверх, а по краям — опускается вглубь. Скорость движения вещества невелика — всего пара сантиметров в год. Однако благодаря ему за несколько миллионов лет поверхность может полностью обновляться. Этим процессом объясняется «молодость» и активность поверхностных структур в данном регионе: их возраст местами составляет, возможно, даже менее миллиона лет.

Атмосферные слои Плутона. Через 15 минут после максимального сближения с Плутоном 14 июля 2015 г. космический аппарат New Horizons «обернулся» и с расстояния 18 тыс. км сфотографировал атмосферу карликовой планеты, просвеченную Солнцем. В кадр попала также часть освещенного плутонианского
серпа шириной около 1250 км с терминатором, вблизи которого благодаря длинным теням прекрасно видны неровности рельефа (в том числе горы высотой до 3,5 км). В разреженной атмосфере Плутона ученые насчитали свыше десятка слоев дымки.

Еще одной отличительной чертой поверхности Плутона являются горы красно-коричневого цвета, покрытые шапками метанового льда. Возраст самых светлых областей, как уже упоминалось, относительно невелик, в то время как темные участки рельефа невероятно стары: по моим оценкам, им около 4 млрд лет. На детальных снимках этих древних регионов видны возвышенности, укрытые метановым льдом, играющим здесь роль снежных шапок на вершинах земных гор. Кроме того, на Плутоне обнаружены признаки активности криовулканов. Там очень холодно (около -200°C), поэтому водяной лед тверд, как камень. На фотографиях поверхности видны структуры, напоминающие земные вулканы — горы со впадинами в центре. Исследования показали, что внутри этих впадин находится лед, напоминая лаву внутри кратеров вулканов на нашей планете, и он может извергаться аналогичным образом вследствие явления, названного криовулканизмом. Водяной лед обнаружен и в других элементах ландшафта — в частности, он заполняет многочисленные расщелины и впадины.

Метановый снег, укрывающий горные вершины. Обширный темный регион в южном полушарии Плутона, получивший неофициальное название «Ктулху» (Cthulhu Regio), имеет весьма неровный рельеф с горными цепями, высота отдельных пиков которых превышает 3 км, а длина достигает 420 км. Возвышенности местами укрыты яркими белыми «шапками», состоящими предположительно из метанового снега. Красно-коричневый цвет остальной поверхности связан с толинами — высокомолекулярными соединениями, образующимися при полимеризации продуктов разложения метана под действием солнечного излучения. Разрешение приведенного снимка — около 680 м на пиксель.

Итак, что же нам известно о Плутоне? Вероятно, в самом его центре скрывается небольшое каменное ядро. Внутренняя часть недр карликовой планеты предположительно состоит из смеси горных пород и воды. Поверхность же покрыта в основном водяным и азотным льдом. Таким образом, Плутон в значительной степени состоит изо льда. Его размер невелик — он даже меньше нашей Луны. Гравитация там составляет всего 6,6% земной: если максимальная высота прыжка от поверхности на Земле не превышает 3 м, то на Плутоне удалось бы подпрыгнуть на все 45. Так что там было бы очень удобно играть в баскетбол.

Водяной лед на Плутоне. На этом изображении, построенном по данным спектрометра зонда New Horizons, синим цветом показаны выходы на поверхность водяного льда. Инфракрасная спектроскопия проводилась с помощью прибора LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array). Ширина охваченного снимком участка составляет 450 км.

Несмотря на все чудеса и неожиданности, ожидавшие нас на Плутоне, самые невероятные открытия, пожалуй, связаны с его атмосферой. На многих фотографиях его газовой оболочки отчетливо видны многочисленные слои дымки, расположенные друг над другом. В газах, окутывающих карликовую планету, взвешены различные вещества в форме мелких пылевых частиц. Мы предполагаем, что атмосферные слои, запечатленные на фотографиях, возникают вследствие различия их химического состава.

Интересная структура с углублением в центре, получившая неофициальное название «Гора Райт» (Wright Mons), имеет диаметр около 160 км и высоту порядка 4 км. По некоторым признакам она представляет собой древний криовулкан, когда-то извергавший потоки водно-аммиачной «лавы». Похожее строение имеет еще одна, более масштабная плутонианская возвышенность — «Гора Пикара» (Piccard Mons).

Ландшафт Плутона невероятно разнообразен: часто рядом с почти идеально ровными участками, покрытыми белым азотным льдом, можно наблюдать холмы и горы красновато-коричневой окраски.

Топографическая карта окрестностей горы Райт и горы Пикара (в нижней части изображения), составленная по данным зонда New Horizons. Синим цветом обозначены участки, лежащие ниже среднего уровня плутонианской поверхности, зеленый примерно соответствует средним значениям, желтый — возвышенностям, коричневым нанесены самые высокие пики.

Харон и другие спутники

Отличительными чертами Харона, сразу бросающимися в глаза, являются глубокие и разветвленные долины и каньоны, а также большое темно-красное пятно, которое заметно выделяется на фоне серой поверхности. Если сравнить крупнейший каньон на Хароне с Большим Каньоном в штате Аризона, то его следовало бы назвать «Большим-Большим Каньоном»: глубина ущелья от основания до верхней кромки составляет около 11 км. По нашему мнению, причиной его возникновения стал океан под поверхностью спутника. Всем известно, что при замерзании вода расширяется. Скорее всего, в течение непродолжительного периода жидкий океан замерз, и, расширившись, вызвал образование этих ущелий.

Общий вид Харона, запечатленный зондом New Horizons перед наибольшим сближением с ним 14 июля 2015 г. Изображение составлено из снимков, сделанных спектрографом Ralph/ MVIC через голубой и красный светофильтры, а также в ближнем инфракрасном диапазоне. Разрешение достигает 2,9 км на пиксель.

Примечательно, что на Плутоне каньоны хоть и присутствуют, но глубина их не столь велика. Логично было бы ожидать увидеть там схожую картину, однако ущелий такой глубины мы не обнаружили. Это дает основания предполагать, что под плутонианской поверхностью вода все еще может оставаться жидкой, и в недрах карликовой планеты, возможно, скрыт огромный океан.

А вот другая отличительная черта — темно-красная приполярная область — имеет аналог на поверхности Плутона. Скорее всего, именно темные участки последнего стали источником окрашенного материала, осевшего на Харон. Органические молекулы, придающие веществу характерный красноватый оттенок, могли «перекочевать» на спутник вместе с атмосферными газами. В окрестностях его полюсов температура приблизительно на 10° ниже, чем на экваторе, и именно там расположено темно-красное пятно. По всей видимости, в этой области перенесенные газообменом молекулы замерзают и постепенно оседают.

Помимо Харона (самого большого спутника), у Плутона были обнаружены еще четыре малых. Из-за крошечных размеров самых маленьких лун Кербера и Стикса, а также большого расстояния, отделявшего их от космического аппарата, детально рассмотреть эти объекты не получилось. На поверхности двух более крупных — Никты и Гидры — видны многочисленные кратеры. Малые спутники образовались приблизительно в то же время, что и Харон, и все они обращаются практически в одной плоскости. Предположительно причиной их возникновения стало столкновение Плутона с другим небесным телом.

Пояс Койпера

Итак, пролетев мимо Плутона, аппарат New Horizons продолжает свой путь к объектам пояса Койпера. В январе 2019 г. он должен достичь первого такого тела, совершенно не похожего на карликовую планету — его размер составляет всего около 30 км, что сопоставимо скорее с поперечником малых плутонианских спутников. В то время как Плутон обладает значительной массой, внутренней энергией и ядром, следующий пункт назначения миссии — типичный «строительный материал», не вошедший в состав планет; вряд ли мы обнаружим следы внутренней активности на поверхности этого объекта. Пока на лучших доступных изображениях можно разглядеть лишь перемещающееся на фоне звезд крохотное светлое пятнышко, но меньше чем через два года мы увидим кратеры и другие детали этого далекого небесного тела.

По поводу Плутона до сих пор много споров: считать ли его планетой? Отчасти это связано с тем, что со времени его открытия в 1930 г. прошло более 60 лет до момента, когда был найден следующий похожий объект. Его в 1992 г. обнаружил Дэвид Джуитт (David Jewitt) — англичанин, который был моим научным советником в Гавайском университете. Своим открытием он продемонстрировал, что в Поясе Койпера может находиться множество тел, сопоставимых с Плутоном по размерам и орбитальным параметрам. Именно на 90-е годы пришелся момент, когда наши технологии достигли уровня, позволяющего производить подобные наблюдения и замечать настолько далекие объекты.

В начале XXI века ряды карликовых планет пополнились еще несколькими телами: были открыты Хаумеа, Макемаке и Седна. Однако до 2010 г. никто не занимался поисками транснептуновых объектов в Южном полушарии — там просто не было инструментов с необходимым фокусным расстоянием. В 2010 г. начала работу обсерватория Лас Кампанас в Чили. Диаметр зеркал каждого из двух ее больших рефлекторов равен 6,5 м. Помимо них, обсерватория располагает метровым телескопом Henrietta Swope, который после усовершенствования стал пригодным для поиска новых тел в Поясе Койпера. В результате мы открыли еще несколько карликовых планет. Одна из них, 2010 EK139, имеет поперечник более 700 км — примерно втрое меньше Плутона. Размер другой, 2010 JJ124, составляет около 600 км.

Подобные объекты достаточно сложно обнаружить, причем не только из-за малого размера и удаленности. Если орбита карликовой планеты пролегает близко к плоскости нашей Галактики (Млечного Пути), то ее невероятно трудно рассмотреть на фоне света бесчисленного количества звезд. Для того, чтобы нивелировать засветку, мы используем специальную технику, позволяющую приглушить сияние звезд и наблюдать только передвигающиеся на их фоне более близкие небесные тела.

Используя наш метод, мы произвели наблюдения всего неба в Южном полушарии с помощью метрового телескопа, позволяющего обнаружить объекты, яркость которых составляет до 21-й звездной величины, а поперечник — до нескольких сотен километров. Телескоп с диаметром зеркала 4 или 6 м мог бы различить намного более тусклые объекты, меньшие по размеру или расположенные еще дальше: ведь для инструмента, которым пользовались мы, даже Земля с расстояния в несколько сотен астрономических единиц была бы незаметной. Несомненно, дальнейшее усовершенствование оборудования приведет к открытиям многочисленных новых тел в Поясе Койпера.

Что же представляет собой этот пояс? За орбитами газовых гигантов находится скопление небольших объектов — остатков вещества, не вошедшего в состав планет при их формировании. Уже известно около 2 тыс. таких объектов, но предположительно количество расположенных там тел, имеющих размер более нескольких километров, превышает миллион.

Самыми большими карликовыми планетами считаются следующие объекты: Церера, крупнейшее тело Главного пояса астероидов, имеет поперечник около 950 км; Плутон — самый большой известный объект Пояса Койпера; тем не менее, нептунианский спутник Тритон еще крупнее (ученые полагают, что он был захвачен гравитацией Нептуна из Пояса Койпера). Эрида — еще одна карликовая планета — по размеру почти такая же, как Плутон. Все эти объекты меньше, чем наша Луна, и значительно меньше Титана и Ганимеда — самых крупных спутников Сатурна и Юпитера. Таким образом, очевидно, что Плутон — далеко не единственный значимый объект Пояса Койпера. Наряду с ним существуют Эрида, Макемаке, Хаумеа, Орк и множество ледяных тел меньшего диаметра.

Является ли все-таки Плутон планетой? В данный момент он официально относится к классу карликовых планет. Тем не менее, какой бы ни была планета, полноценной или карликовой, определяющим является ее происхождение, пути формирования и связи с соседними небесными телами.

Если взглянуть на карту расположения астероидов во внутренней части Солнечной системы, легко заметить, что абсолютное большинство их сконцентрировано в Главном поясе между орбитами Марса и Юпитера. Кроме того, в орбитальном резонансе 1:1 с последним вокруг Солнца обращаются астероиды-троянцы, находящиеся вблизи орбиты крупнейшей планеты, а группа Хильды движется в резонансе с газовым гигантом 3:2. Это значит, что «троянцы» делают один полный оборот вокруг Солнца за то же время, что и Юпитер, в то время как «хильды» успевают обойти светило трижды за два витка планеты по орбите. Члены семейства Хильды распределены неравномерно — их растянувшееся скопление при взгляде сверху напоминает треугольник с углами, соответствующими точкам Лагранжа системы Юпитер-Солнце. Такое распределение обеспечивает стабильность орбит астероидов: если бы они вращались с другими периодами, то однажды подошли бы к газовому гиганту слишком близко, и его гравитация заставила бы их упасть на него. Изучение специфики обращения объектов семейства Хильды позволило сделать вывод, что сам Юпитер со времени своего образования переместился на половину астрономической единицы ближе к Солнцу.

Существование Пояса Койпера было давно предсказано теоретически, однако предполагалось, что большинство его объектов будет иметь относительно небольшой эксцентриситет и наклон орбиты. На деле оказалось, что хотя многие так называемые «классические объекты» и соответствуют этим представлениям, другие находки в этом регионе свидетельствуют о хаосе и беспорядочных перемещениях на ранних этапах существования Солнечной системы.

Следующая группа, о которой я хотел бы рассказать детальнее — это кентавры, астероиды, разбросанные между орбитами Юпитера и Нептуна. Движение тел, относящихся к этой группе, крайне нестабильно, и существуют они, как правило, от нескольких сотен тысяч до десятков миллионов лет. После этого, вследствие влияния гравитации планет и других объектов, кентавры либо устремляются внутрь Солнечной системы (и тогда мы наблюдаем их в виде комет), либо оказываются выброшенными за ее пределы.

Еще один класс «обитателей» Пояса Койпера — резонансные транснептуновые объекты. Особенности их орбит напоминают ранее упомянутое семейство астероидов Хильды, только эта группа находится в резонансе не с Юпитером, а с Нептуном. Как и в случае с «хильдами», по поведению резонансных тел можно судить о перемещениях самого ледяного гиганта: в данный момент считается, что он образовался на 5-10 а.е. ближе к Солнцу, чем находится сейчас. Позже он сместился к внешним окраинам Солнечной системы и, как следствие, «вытолкнул» эти тела на резонансные орбиты.

Плутон тоже движется в резонансе с Нептуном: за время, необходимое для трех оборотов последнего, карликовая планета оборачивается вокруг Солнца дважды. Между прочим, ее орбита также очень нестабильна — ведь она пересекает орбиту Нептуна, несравнимо превышающего Плутон по массе. Однако резонанс, в котором он находится, позволяет даже такому небольшому объекту избежать опасного сближения с крупным соседом и поглощения им на протяжении достаточно длительного времени (например, такого, как текущий возраст Солнечной системы).

Как и у Юпитера, у Нептуна тоже есть троянские астероиды, разделяющие с ним одну орбиту. Поскольку расстояние до них огромно, количество известных нептунианских «троянцев», в отличие от юпитерианских, пока невелико — их открыли немногим более десятка. Характерной особенностью этих объектов является большой наклон орбитальных плоскостей: очевидно, когда-то в далеком прошлом орбита Нептуна была намного более эксцентричной. Планеты-гиганты, проходя вблизи скоплений подобных тел, сильно влияют на них своим гравитационным полем, что часто приводит к их разбрасыванию. Таким образом, изучая особенности троянских астероидов, мы можем приблизиться к пониманию хаотического прошлого внешних планет, в особенности Нептуна и Урана.

Исходя из имеющихся данных, можно предположить, что газовые и ледяные гиганты образовались намного ближе друг к другу, чем они находятся сегодня. Позже, по мере того, как расстояние между ними увеличивалось, гравитационные взаимодействия приводили к непредсказуемым перемещениям и множественным столкновениям планет, астероидов и их фрагментов. Очевидно, нам очень повезло, что эта эпоха осталась далеко в прошлом, и нынешняя Солнечная система представляет собой достаточно спокойное место для нашего обитания.

Наконец, существует группа так называемых объектов рассеянного диска. Эксцентриситеты орбит этих тел достаточно велики, а перигелии находятся недалеко от нептунианской орбиты, вследствие чего после пролетов вблизи гиганта многие из них оказываются выброшенными на далекие окраины Солнечной системы. К этому классу относится Эрида, которая сейчас медленно движется к точке максимального сближения с Нептуном.

Объекты Пояса Койпера делятся по происхождению на два класса: образовавшиеся непосредственно в нем и попавшие туда, будучи выброшенными со своих предыдущих «мест обитания». Судить об этом можно по углу наклона орбит: у объектов рассеянного диска они наклонены очень сильно, и в меньшей степени — у резонансных. Это дает основания заключить, что большинство тел, относящихся к этим группам, попали на свои текущие орбиты вследствие гравитационного взаимодействия с массивными планетами. В то же время орбитальные плоскости классических объектов наклонены незначительно, что делает их наиболее интересными предметами для изучения — вероятно, они сформировались в Поясе Койпера на заре существования Солнечной системы и остаются почти нетронутыми.

Следующая цель аппарата New Horizons (койпероид 2014 MU69) как раз относится к семейству классических транснептуновых объектов, образовавшихся «на задворках» нашей планетной системы, в то время как Плутон считается объектом рассеянного диска, попавшим на свою нынешнюю орбиту после взаимодействия с другими телами. Таким образом, в рамках миссии запланировано также изучение объекта, принадлежащего к принципиально иному классу, чем Плутон.

Итак, благодаря исследованиям малых тел мы узнали много нового о гигантах: скорее всего, Юпитер со времени своего зарождения «передвинулся» ближе к центру Солнечной системы, тогда как Сатурн, Уран и Нептун, наоборот, «отодвинулись» к ее внешним областям. Более того, нынешняя самая далекая планета, вероятно, образовалась даже ближе к Солнцу, чем текущая орбита Урана. Многие объекты, сформированные в тех же регионах, что и большие планеты, оказались выброшенными «на задворки», где некоторые из них — в частности, Плутон — теперь и обитают, обращаясь по сильно наклоненным орбитам. Другой класс объектов Пояса Койпера — его «коренные жители». Они отличаются характерным красноватым оттенком и малым наклоном орбит, а также имеют меньшие размеры, чем представители первого класса.

Однако есть и совсем экзотические далекие объекты — Седна и 2012 VP113, которые ведут себя очень странно и не подходят к планетам-гигантам, Плутону или крупным телам Пояса Койпера так близко, как ожидалось. Возможным объяснением особенностей их орбит может быть существование еще одной планеты, находящейся за пределами досягаемости современных телескопов и направляющей Седну с 2012 VP113 по неожиданным траекториям. Но это уже тема отдельного доклада.