Совместно с издательством «Альпина нон-фикшн» мы публикуем отрывок из книги «Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной» доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга (ГАИШ МГУ) Сергея Попова, посвященной фундаментальным особенностям астрономической картины мира, загадке темного вещества и темной материи и возможности обнаружения жизни во Вселенной.

За орбитой Нептуна располагается множество объектов, уступающих в размере и массе большим планетам, которые объединяют под общим наименованием транснептуновые. Также родственными им являются так называемые околонептуновые (cisneptunian) объекты. В основном это тела с большим содержанием льдов, некоторые из них имеют достаточно большие размеры и классифицируются как карликовые планеты. Это Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида (пятой карликовой планетой на сегодняшний день является Церера в Главном поясе астероидов). Суммарная масса тел в этой области составляет доли массы Земли (что немало). Таким образом, количество мелких объектов, таких как кометные ядра, здесь очень велико.

Рекомендуем по этой теме:
20608
Пояс Койпера

Транснептуновые объекты в зависимости от характеристик их орбит делят на несколько групп. Главными являются классический пояс Койпера и так называемый рассеянный диск (scattered disc). Иногда их объединяют под общим названием пояс Койпера. Объекты классического пояса в основном располагаются на расстояниях 42–48 a. е. Они имеют небольшие эксцентриситеты (менее 0,2), и плоскости их орбит лежат вблизи плоскости эклиптики. Тела в рассеянном диске в свое время сильно провзаимодействовали с Нептуном, поэтому их орбиты могут быть существенно наклонены к плоскости эклиптики, а также они могут иметь заметные эксцентриситеты (до 0,6). Большие полуоси их орбит достигают 100 a. е. Суммарная масса тел классического пояса Койпера составляет около 0,001 земной (в основном она сконцентрирована в телах с размерами около 50 км). Самым массивным телом является Макемаке, у которого в 2016 г. был открыт спутник. Масса рассеянного диска на пару порядков больше.

Возможность существования аналога пояса астероидов на занептуновых орбитах обсуждалась с 1930-х гг. Вскоре после обнаружения Плутона Фредерик Леонард (Frederick C. Leonard) высказал гипотезу, что это лишь первое из многих подобных тел, которые будут открыты за Нептуном. В 1943 г. Кеннет Эйджворт предположил, что при образовании Солнечной системы мелкие тела не могли образовать крупную планету за Нептуном и поэтому должны образовывать некий аналог пояса астероидов. Койпер высказал свой вариант гипотезы лишь в 1951 г. Были и другие ученые, которые на основе более надежных идей или наблюдений предсказывали существование популяции транснептуновых объектов, однако по историческим причинам известная нам теперь структура чаще всего называется поясом Койпера.

Гипотезу о большом количестве транснептуновых тел, образующих единую структуру, на протяжении нескольких десятилетий развивали многие ученые. Однако обнаружить небольшие тела на таких больших расстояниях непросто. Первый объект пояса Койпера был открыт в 1992 г. Это тело, пока обозначаемое как 1992 QB1, обнаружили Дэвид Джевитт и Джейн Луу (David Jewitt, Jane Luu). Сейчас регулярно происходят обнаружения новых транснептуновых объектов и разрабатываются проекты космических миссий для их исследования. Также обсуждается гипотеза о возможном существовании достаточно крупного тела далеко за орбитой Нептуна, на расстоянии 200–300 a. е.

В дополнение к классическому поясу Койпера и рассеянному диску среди транснептуновых тел выделяют объекты, находящиеся в орбитальном резонансе с Нептуном. Это означает, что их орбитальные периоды находятся в целочисленном отношении к орбитальному периоду Нептуна: например, как 3:2 (Плутон и плутино — небольшие тела примерно с тем же орбитальным периодом), 2:1, 5:2 и т. д. Отдельно можно отметить околонептуновые объекты с резонансом 1:1, это троянцы Нептуна, орбитальное движение которых подобно движению троянцев и греков Юпитера. Наконец, уже внутри орбиты Нептуна, находятся кентавры, названные так по первому объекту этого типа — астероиду Хирон. Видимо, эти тела недавно ушли из пояса Койпера. На современных орбитах они смогут просуществовать лишь около 10 млн лет, а в дальнейшем из-за взаимодействия с планетами-гигантами их орбиты существенно изменятся. Кентавры, например Хирон, явно демонстрируют наличие большого количества льда (необязательно водяного), это полуастероиды-полукометы, что и послужило основанием для их названия. При приближении к Солнцу у некоторых из этих тел появляется кома (аналог атмосферы), как у комет.

Рекомендуем по этой теме:
3643
Плутон и Харон

В свое время, на заре образования Солнечной системы, маленькие объекты в этой области не смогли объединиться в одно крупное тело, в первую очередь из-за низкой пространственной плотности и неэффективности взаимодействия друг с другом. Небольшие объекты, видимо, не образовывались далее 50 a. е., поэтому сейчас внешняя граница пояса Койпера обрывается довольно резко. Современная структура распределения транснептуновых объектов сформировалась во время так называемой поздней тяжелой бомбардировки (спустя несколько сотен миллионов лет после формирования Солнечной системы), когда произошла существенная миграция планет-гигантов. С точки зрения распределения орбит транснептуновых объектов главную роль играло именно перемещение Нептуна. Начальная масса объектов в занептуновой области могла составлять от 3 до 30 земных масс, но во время миграции значительная часть из них была выброшена во внешнюю Солнечную систему (облако Оорта) или вовсе за пределы нашей системы. С тех пор масса пояса Койпера постепенно уменьшается, поскольку объекты меняют орбиты, например превращаясь в кентавров. Кроме того, столкновения транснептуновых объектов приводят к их разрушению, а не к укрупнению. Поэтому некоторые авторы считают пояс Койпера аналогом остаточных (debris) дисков, наблюдаемых у других звезд.

О внутреннем строении транснептуновых объектов известно немного. Наблюдения позволяют определять характеристики поверхности для крупных тел. Хорошо видно наличие замерзшего метана, который под действием солнечного излучения превращается в другие углеводородные соединения (например, C2H2, C2H4, C2H6, CH3OH): этим объясняется красноватый цвет многих из этих тел. Также наблюдается присутствие водяного льда, замерзшего углекислого газа и молекулярного азота, аммиака.

Транснептуновые объекты имеют очень разную плотность, причины этого не известны. В среднем плотность растет с ростом массы объектов, для Плутона она составляет примерно 2 г/см3 (соотношение льда и камней примерно 3:7). У некоторых тел плотность очень мала, что указывает на их пористое строение.

Многие транснептуновые объекты образовались в результате столкновений. Так, например, спутник Плутона Харон (и, видимо, два других небольших спутника этой карликовой планеты) возник в результате столкновения. То же можно сказать и о спутниках карликовой планеты Хаумеа, имеющих, как и она, очень яркую поверхность, что объясняют присутствием большого количества водяного льда. Спутники у крупных транснептуновых объектов не редкость, все четыре транснептуновые карликовые планеты имеют спутники, да и вообще среди тел в поясе Койпера очень много двойных.

Некоторые объекты, когда-то входившие в пояс Койпера, удается изучить лучше других, поскольку они существенно поменяли свои орбиты и теперь могут приближаться к Солнцу. Кроме уже упоминавшихся кентавров к ним относятся некоторые кометы: например, 81P/Wild (она же Wild 2, открыта швейцарским астрономом Паулем Вильдом (Paul Wild)). Некоторые спутники планет-гигантов могли быть транснептуновыми объектами, захваченными во время миграции. К таковым относят спутник Сатурна Фебу, который имеет обратное движение вокруг своей планеты. Крупный спутник Нептуна Тритон, также, вероятнее всего, изначально был самостоятельным транснептуновым объектом. Эти тела удалось изучить с помощью космических аппаратов, исследовавших Сатурн и Нептун.

Сейчас наиболее изученными транснептуновыми телами являются Плутон и Харон, поскольку мимо них в 2015 г. пролетел аппарат New Horizons («Новые горизонты»). Сюрпризом было обнаружение на Плутоне обширных областей молодой поверхности, не покрытой большим количеством кратеров. Возраст этих участков менее нескольких миллионов лет, поэтому Плутон не является «мертвой планетой».

Изучение орбит транснептуновых объектов помогает точнее восстановить историю Солнечной системы. Однако для существенного продвижения необходимы новые межпланетные станции, специально предназначенные для изучения транснептуновых объектов и их «родственников».