В августе 1992 года ученые обнаружили первый объект пояса Койпера. За прошедшие 30 лет их количество достигло нескольких тысяч, а подробное изучение этих далеких объектов изменило представление планетологов о формировании Солнечной системы. «Хайтек» рассказывает о том, как открытие пояса Койпера повлияло на развитие астрономии, какие есть теории формирования планет и почему газовые гиганты в прошлом двигались.
Еще в 1930 году после открытия Плутона астроном Фредерик Леонард писал, что самая далекая планета Солнечной системы — это только первое из тел, найденных за пределами орбиты Нептуна. Потребовалось более 60 лет, чтобы подтвердить его правоту. В конце XX и начале XXI века исследователи открыли тысячи объектов, расположенных в области, которую назвали поясом Койпера.
Это понятие объединяет все объекты расположенные за Нептуном (от 35 а.е.) в пределах 50 а.е. от Солнца. Напомним, одна астрономическая единица — это расстояние от Земли до нашей звезды. Примечательно, что эту область назвали в честь нидерландского и американского астронома Джерарда Койпера, хотя именно он в 50-е годы прошлого столетия настаивал на том, что область от орбиты Нептуна и до Облака Оорта должна быть абсолютно пуста. Ученый считал, что Плутон по размеру сравним с Землей, а потому его гравитационное воздействие должно было расчистить пространство вдоль орбиты ото всех астероидов.
Пояс Койпера напоминает пояс астероидов, расположенный между орбитами Земли и Марса, но он значительно больше, шире и в нем наблюдается большее количество массивных объектов. В том числе по крайней мере четыре карликовые планеты — Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Кроме того, в отличие от каменистых объектов пояса рядом с Землей, астероиды пояса Койпера представляют собой в основном застывший газ.
Как удалось открыть первый объект?
Хотя различные предположения о существовании транснептуновых объектов, то есть космических тел, расположенных за пределами орбиты Нептуна, выдвигались на протяжении всего XX века, особенно после открытия Плутона (первого такого объекта). Первое подтверждение существования далеких объектов удалось получить только 30 лет назад.
Планетолог Дэвид Джуитт и астроном Джейн Луу из Массачусетского технологического института с конца 80-х годов занимались необычными поисками. Они использовали телескопы в Аризоне, чтобы делать случайные фотографии отдельных участков неба. Серия снимков, сделанных с небольшими перерывами, могла показать, какой-нибудь движущийся объект.
Эксперименты завершились успехом через три года после начала исследования. Ночью 30 августа 1992 года ученые использовали телескоп Гавайского университета на Большом острове. Они использовали свою обычную технику поиска удаленных объектов. Отдельные снимки делались раз в час, после чего ученые сравнивали, изменилось ли что-то на изображении.
Около 21:14 ученые получили два первых изображения. Сравнив их на экране, они увидели, что небольшое пятнышко света, которое на втором изображении слегка сместилось к западу. Чтобы убедиться, что это не ошибка и не случайное изображение далеких космических лучей, ученые подождали до 23:00 и сделали еще одно фото. На третьем снимке новый объект сохранился и еще больше сместился к западу. Аналогичные данные показал и четвертый снимок, сделанный сразу после полуночи.
Дальнейшие исследования показали, что далекому объекту, который ученые назвали QB1, потребовался почти месяц, чтобы пройти участок неба шириной с полную Луну. Основываясь на яркости объекта и его медленной скорости, ученые пришли к выводу, что QB1 представляет собой объект из льда и камня около 250 км в диаметре и движется за пределами орбиты Нептуна.
Это был первый после Плутона транснептуновый объект. За первым успехом пошли новые: уже через несколько месяцев ученым удалось открыть еще один объект. А по мере улучшения чувствительности цифровых датчиков открытия пошли одно за другим. На сегодня известно уже несколько тысяч объектов, вращающихся в поясе Койпера.
«Новые горизонты» и тайны Аррокота
Новый прорыв в изучении пояса Койпера и Солнечной системы связан с исследовательской миссией «Новые горизонты» (New Horizons). Межпланетная космическая станция была запущена НАСА в 2006 году, а уже в 2015 она прислала первые снимки системы Плутона и Харона (спутника планеты) и множество удивительно подробных изображений объектов пояса Койпера.
Но самое удивительное открытие было сделано «Новыми Горизонтами» в 2019 году. Корабль, который в этот момент находился на расстоянии около 1,5 млрд км от орбиты Плутона, обнаружил астероид необычной формы — Аррокот. Это контактно-двойной объект, который состоит из двух частей. Большая часть — Ультима — напоминает плоский блин, ребро которого присоединено к меньшему объекту — сферической Туле.
Планетеземальная аккреция — одна из гипотез образования объектов Солнечной системы — предполагает, что образование планет происходит в результате серии столкновений, при которых объекты сталкиваются и слипаются, становясь все больше и больше. У этой гипотезы есть только один недостаток: по мере роста массы у таких объектов появляется собственная гравитация. В результате две части перед столкновением разгоняются слишком активно и не могут просто соединиться, а разбиваются на части.
В частности, моделирование столкновения двух частей Аррокота показывает, что при их столкновении не мог получиться такой необычный объект. Ученые предполагают, что другая гипотеза лучше объясняет необычное строение астероида.
Более вероятно, что Аррокот родился в результате процесса, известного как гравитационная неустойчивость, считают исследователи. В этом сценарии при определенных условиях газовое облака, часть которого оказывает более плотным, быстро схлопывается под действием гравитационных сил.
Исследователи отмечают, что поскольку так по всей видимости сформировались некоторые объекты пояса Койпера, возможно аналогичные процессы происходили и в раннем протопланетном диске, из которого сформировались все объекты Солнечной системы. Примечательно, что формирование планет в этой теории занимает тысячи, а не миллионы лет, а потому весь процесс формирования системы мог протекать гораздо быстрее.
«Новые горизонты» все еще продолжают двигаться через пояс Койпера, возможно ученым удастся идентифицировать еще один объект, с которым аппарат сможет сблизиться. Это открытие, может быть, еще раз перевернет представления о строении и эволюции Солнечной системы.
Подвижные газовые гиганты
«Новые горизонты» позволили взглянуть на отдельные объекты пояса Койпера вблизи, а развитие инструментов наземных обсерваторий — рассмотреть их в массе. Например, планетологи совсем недавно закончили исследование происхождения Солнечной системы с помощью телескопа Канада-Франция-Гавайи, расположенного на горе Мауна-Кеа. Это та самая вершина, с которой был открыт первый объект пояса Койпера. В процессе обзора планетологи идентифицировали 800 ранее неизвестных объектов, в результате их общее количество превысило 3 тыс.
Масштабное наблюдение позволило установить, что объекты пояса Койпера расположены неравномерно, а концентрируются небольшими группами. Такой эффект возможен в результате мощного гравитационного воздействия.
Исследователи полагают, что ответственность за такие искажения лежит на двух газовых гигантах — Нептуне и Сатурне. Моделирование показало, что, если в прошлом эти планеты двигались нестабильно, время от времени приближаясь к Солнцу и удаляясь от него, мощные гравитационные волны, связанные с изменением местоположения массивных объектов могли повлиять на расположение объектов в поясе Койпера.
Многочисленные исследования пояса Койпера уже позволили узнать больше о прошлом нашей Солнечной системы. Планетологи смогли подтвердить одну из гипотез формирования планет и обнаружили нестабильность орбиты газовых гигантов на ранних этапах существования Солнечной системы.
Несмотря на это впереди может быть еще множество удивительных открытий. Например, «Новые горизонты» может встретить еще один необычный астероид. А кроме того, в следующем году должно начаться масштабное исследование с помощью строящейся обсерватории Веры Рубиной в Чили. В течение 10 лет телескопы обсерватории будут беспрерывно снимать южное полушарие, чтобы найти мельчайшие детали. Ожидается, что это исследование увеличит количество известных объектов пояса Койпера до 40 тыс. и наверняка принесет много новых открытий.
На обложке: пояс Койпера. Изображение: NASA
Читать далее:
Солнечное пятно размером с Землю выросло в 10 раз за 2 дня: оно направлено на нас