Пояс Койпера

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.

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.

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.