Плутон: история исследований карликовой планеты

14 июля 2015 года аппарат New Horizons достигнет максимального сближения с карликовой планетой Плутон и получит снимки поверхности одного из самых малоисследованных тел Солнечной системы. Мы попросили астронома Дмитрия Вибе рассказать, что нам известно о Плутоне, почему он перестал быть планетой и об истории миссии New Horizons.

Поиски Планеты X

История исследований Плутона довольно драматична. Когда в 1846 году «на кончике пера» был открыт Нептун, множество ученых, преисполненных энтузиазмом, считали, что на этом нельзя останавливаться и необходимо и дальше изучать аномалии в движении Урана и Нептуна, пытаясь обнаружить следующую планету. Ее называли Планета X.

Предпринималось несколько попыток обнаружить эту планету. В ходе этих кампаний Плутон был даже сфотографирован, но остался незамеченным. Успех был достигнут только в 1930 году американским астрономом Клайдом Томбо, который при помощи изучения большого количества фотографий нашел эту движущуюся точку и определил, что это планета. Планета, которая обращается вокруг Солнца за пределами орбиты Нептуна и, соответственно, может претендовать на то, чтобы быть Планетой X, девятой планетой Солнечной системы. Название для этого объекта было предложено девочкой из Великобритании Венецией Берни. Имя «Плутон» показалось очень удачным, поскольку, во-первых, в мифологии это бог подземного царства, что хорошо ассоциировалось с такой далекой и темной планетой, а, во-вторых, первые две буквы — П и Л — совпадали с инициалами одного из больших энтузиастов поисков Планеты X Персиваля Лоуэлла.

C самого начала было понятно, что Плутон сильно отличается от других планет Солнечной системы. Во-первых, он вращается вокруг Солнца по довольно вытянутой орбите с бо́льшим эксцентриситетом, в отличие от почти круговых орбит других планет. Во-вторых, его орбита сильно наклонена к плоскости эклиптики — на 17 градусов. Ученые не могли не обратить внимания и на структурное несоответствие: есть четыре планеты земной группы, четыре планеты-гиганта, а за ними вдруг оказался такой маленький объект?

Изучение Плутона — задача очень сложная, поскольку он мал и находится далеко от Солнца, то есть плохо освещен. Тем не менее за первые десятилетия исследований был обнаружен спутник Плутона Харон, который тоже немало удивил ученых: по размерам Харон всего лишь в два раза уступает Плутону. Иногда, исключительно для красоты, о Плутоне говорили как о двойной планете, поскольку спутник несильно отличается от центрального тела.

Был определен химический состав атмосферы Плутона по наблюдениям затмений звезд планетой. Был приблизительно определен химический состав поверхности Плутона, состоящей из замерзшего молекулярного азота и метана. Космический телескоп имени Хаббла позволил получить снимки поверхности Плутона с очень невысоким разрешением. Удалось только различить несколько ярких и темных пятен на поверхности планеты.

Почему Плутон больше не планета?

Первый тревожный сигнал прозвучал в 1992 году. Предположения о том, что тел за орбитой Нептуна в Солнечной системе должно быть еще много, высказывались начиная с середины XX века. Исследователи полагали, что от образования Солнечной системы за орбитой Нептуна должен остаться «строительный мусор». И в 1992 году был открыт первый транснептуновый астероид, объект, который обращается вокруг Солнца за орбитой Нептуна. Вскоре подобные открытия начали следовать одно за другим, и в транснептуновом пространстве, которое сейчас называется поясом Койпера, находили все более и более крупные тела. Постепенно стало ясно, что Плутон, в отличие от остальных планет Солнечной системы, в своем окружении не является уникальным объектом. За орбитой Нептуна Плутон как минимум не один. Исследователям стало очевидно, что рано или поздно будет обнаружен объект, сопоставимый с Плутоном, что и случилось в 2005 году, когда был открыт транснептуновый объект, по размерам сравнимый с Плутоном. Это тело получило имя Эрида.

Встал вопрос: если мы называем Плутон планетой, то и Эрида должна называться планетой? Ученые, которые занимались поисками транснептуновых объектов, понимали, что Эрида наверняка не последнее тело таких размеров, которое будет обнаружено в этой области пространства.

Так что мы называем планетой? Этот вопрос после открытия Эриды задало себе все астрономическое сообщество, ведь выяснилось, что строгого определения планеты у нас нет. Параллельно с историей Плутона с 1995 года начались открытия планет в планетных системах других звезд, что также показало необходимость разъяснения термина.

В 2006 году Международный астрономический союз на Генеральной ассамблее, которая проходила в Праге, решил голосованием утвердить определение того, что такое планета. Оказалось, что все определения, которые позволяют назвать планетой Плутон, приведут в будущем к тому, что число планет в Солнечной системе может очень сильно увеличиться. По мере того как будет совершенствоваться наблюдательная техника, планет будут уже десятки.

Было принято следующее решение: планета — это тело, которое вращается вокруг Солнца (это нужно, чтобы исключить спутники планет); это тело должно иметь форму шара (это означает, что оно имеет достаточно большую массу, чтобы под собственным весом приобрести максимально равновесную фигуру); это тело должно своим тяготением расчистить окрестности своей орбиты. То есть в той области Солнечной или другой планетной системы, где оно летает, оно должно явно доминировать над всеми прочими телами. Именно третьей части определения Плутон не удовлетворяет.

Для всех тел, которые удовлетворяют первым двум критериям, но не удовлетворяют третьему, было введено дополнительное понятие — карликовая планета. Такое решение Международного астрономического союза далеко не всем понравилось, что приводит нас к истории аппарата New Horizons. Он был запущен в январе 2006 года, и эта миссия рекламировалась и представлялась как экспедиция к последней планете Солнечной системы, возле которой еще не побывали земные космические аппараты. В январе зонд был запущен, а в августе вдруг объявляют, что New Horizons летит не к планете, а к какому-то астероиду, что в общем по-своему тоже интересно, но может плохо отразиться на статусе миссии. К тому же Плутон был единственной планетой, открытой на Американском континенте, и их этой славы лишили. Кстати, именно поэтому тело, которое привело ко всем трениям и спорам, получило название Эрида — в честь богини раздора. Сегодня как называть Плутон в целом не имеет значения, потому что он от этого не перестает быть более или менее интересным объектом.

Миссия New Horizons

С самого начала истории речь New Horizons шла о пролетной миссии. Планировать на таких колоссальных расстояниях экспедицию, которая не то чтобы села на Плутон, а хотя бы вышла на орбиту, — задача очень сложная, дорогостоящая, да и достаточно рискованная. То есть New Horizons не выходит на орбиту возле Плутона, тем более он не садится на поверхность карликовой планеты, а пролетает мимо. За то очень короткое время, что аппарат будет находиться вблизи Плутона, он должен провести все наблюдения, которые включены в программу. Максимальное сближение состоится 14 июля 2015 года. New Horizons пролетит на расстоянии 12 500 км от планеты, и это будет его единственное свидание с Плутоном.

В настоящее время полеты космических аппаратов практически никогда не осуществляются по прямым траекториям от Земли до целевого тела. В подавляющем большинстве случаев используются так называемые гравитационные маневры. Они сильно увеличивают продолжительность дороги, время нахождения в пути от Земли до нужной планеты или какого-то другого тела, но позволяют значительно экономить на горючем. А это означает, что больше массы освобождается для научного оборудования и кардинально снижается стоимость экспедиций.

Когда планируется экспедиция, траектория космического аппарата прокладывается таким образом, чтобы она проходила в окрестностях одной или нескольких планет Солнечной системы. Тяготение планет во время тесных сближений увеличивает скорость аппарата без использования горючего. Это позволяет ускорить движение аппаратов и направить их в нужную сторону.

В программе полета New Horizons гравитационный маневр был один — в поле тяготения Юпитера, что в любом случае было «по пути». Сильно удлинять миссию на таких огромных расстояниях дополнительными маневрами ученые не хотели.

New Horizons всю свою скорость приобрел, во-первых, при запуске, во-вторых, в результате гравитационного маневра возле Юпитера. Никаких двигателей, которые можно было бы назвать маршевыми, что его разгоняли, на аппарате нет. На New Horizons есть только двигатели, которые позволяют нужным образом ориентировать его в пространстве. Это означает, что он не способен выполнять маневры в окрестности Плутона, в частности выход на орбиту или что-то подобное. Юпитер выступил и тренировочным объектом, на котором проверили работу оборудования.

На аппарате New Horizons установлено семь научных приборов, некоторые из которых предназначены для получения снимков. Эти снимки время от времени выкладываются в сеть. В момент максимального сближения аппарату предстоит сближение не только с Плутоном, но и с Хароном, его спутником, — так подобрана траектория. В конечном итоге изображения будут получены с высоким качеством, с разрешением в несколько десятков метров.

Помимо этого будут проводиться спектральные исследования поверхности карликовой планеты, которые позволят определить ее химический состав. Сравнение снимков, полученных в разные времена, возможно, позволит ответить на вопрос о геологической активности как Плутона, так и Харона. Существует некая вероятность, что на них имеется явление, которое наблюдается на других телах Солнечной системы, — криовулканизм, то есть холодный вулканизм, связанный главным образом с жидкой водой и льдом.

На аппарате установлены анализаторы плазмы и пыли, которые позволяют непосредственно определять параметры среды в окрестностях Плутона и Харона. Наконец, программа полета составлена таким образом, что, когда New Horizons пролетит мимо Плутона, он получит возможность «оглянуться» и посмотреть через атмосферы Плутона и Харона на Солнце и Землю. Это позволит исследовать атмосферы двух этих тел на просвет в оптическом диапазоне и в радиодиапазоне, что даст какую-то информацию о свойствах их атмосфер.

Что мы знаем о Плутоне

Поверхность планеты хорошо отражает, вероятно, покрыта льдом. Скорее всего, это молекулярный азот с некоторой примесью, а может быть, отдельными пятнами замерзшего метана. Это установлено при помощи спектроскопических наблюдений, то есть информация вполне достоверна.

Атмосфера Плутона состоит из этих же газов. Это на самом деле три основных компонента для всех крупных тел пояса Койпера: метан, молекулярный азот и CO (угарный газ).

Измерена температура на поверхности Плутона — -230 градусов Цельсия, но совершенно ничего не известно о том, как льды распределены по поверхности. Известно лишь, что они распределены неоднородно, но как именно и почему возникает эта неоднородность, скорее всего, станет известно только после того, как будут получены все снимки с New Horizons.

Точно так же интересно посмотреть на состав поверхности не только Плутона, но и Харона, поскольку он сильно отличается. У Харона один из основных компонентов — это водяной лед, так что по каким-то причинам два этих тела оказались различны. Скорее всего, разница заключается в том, что Харон все-таки менее массивен и летучие соединения удержать не смог (метан, угарный газ).

Есть интересные указания на то, что на поверхности Плутона может присутствовать какая-то более сложная органика. Эта информация была получена уже при помощи New Horizons. До этого было известно, что многие объекты пояса Койпера имеют красноватый цвет, и этот красноватый цвет приписывают так называемым толинам — это смесь сложных органических соединений, которая возникает из этих замерзших газов при их облучении ультрафиолетом. Если взять смесь угарного газа, аммиака, метана и начать освещать ультрафиолетом, они постепенно начинают превращаться в сложные органические молекулы и приобретают красноватый оттенок. На поверхности Плутона обнаружено такое красноватое вещество.

Интересно будет посмотреть на то, как поверхности Плутона и Харона покрыты кратерами. Исследование количества кратеров и их формы позволит, во-первых, ответить на вопрос, насколько интенсивной была метеоритная бомбардировка на дальних окраинах Солнечной системы — как это происходило в центральной части Солнечной системы, мы знаем довольно хорошо благодаря Луне.

Во-вторых, форма кратеров зависит от свойств коры планеты. Просто глядя на очертания кратеров, на их структуру, можно будет говорить о таких параметрах коры Плутона и Харона, как, например, вязкость, а это ключ к их химическому составу.

Будущее New Horizons

Печальный момент миссии состоит в том, что на таком колоссальнейшем расстоянии очень низкая скорость передачи данных. Буквально пару часов длится тесное сближение аппарата с Плутоном. После этого на протяжении какого-то времени продолжится исследование Плутона со все большего и большего расстояния. А передавать эту информацию обратно на Землю New Horizons будет больше года.

То есть тот объем информации, который аппарат получит за это очень короткое время, требует времени передачи чуть ли не полтора года. New Horizons передает информацию на Землю со скоростью 1 кбит/с, и полностью о результатах пролета мы узнаем только в 2016 году.

В принципе запасов энергии на аппарате хватит еще на длительное время. Поэтому есть план направить его к какому-нибудь астероиду из пояса Койпера. Три кандидата были обнаружены при помощи космического телескопа имени Хаббла. Осенью 2015 года аппарат будет направлен к одному из кандидатов, но это еще не будет означать, что этот кандидат будет исследован. После того как будет передан весь объем информации о пролете мимо Плутона, будет приниматься решение о том, стоит ли выделять деньги на то, чтобы при помощи New Horizons исследовать еще один объект пояса Койпера. Если решение будет принято, еще через несколько лет мы получим возможность получить какую-то информацию о несколько более далеком, чем Плутон, теле Солнечной системы.

После этого с аппаратом ничего сделать будет уже невозможно: и мощность его источника энергии будет ослабевать, и сам он станет слишком далеко от Земли. Дальше он будет лететь по Вселенной как кусок железа.

К сожалению, все космические агентства работают, во-первых, в условиях ограниченных бюджетов и, во-вторых, сокращающихся бюджетов. Поэтому вряд ли проект, подобный New Horizons, будет в обозримом будущем осуществлен. Проекты полетов космических аппаратов к дальним окраинам Солнечной системы и за эти окраины существуют. Но, конечно, сейчас большее внимание привлекают внутренние области Солнечной системы, потому что объем информации, который можно получить, несравним с тем, что будет получен зондом New Horizons. После того как мы освоим центральные части Солнечной системы, можно будет говорить о более далеких и сложных миссиях. Ведь надо признать, что пролетная траектория — это не очень богатый способ получения информации. Миссия к таким далеким объектам Солнечной системы очень важна, но следующий шаг должен быть уже более основательным. А для него время еще не настало.