Пояс Койпера

Солнечная система, скорее всего, не обрывается резко на орбите Плутона, а имеет за ее пределами протяженный пояс малых тел.

Так считают Джейн Лу и Дэвид Джуйт из Гарвард-Смитсонианского центра астрофизики.

Известно, что время от времени на нашем небе происходит появление комет. Они движутся из внешних пределов Солнечной системы по направлению к Солнцу. Солнечные лучи нагревают ядра комет и приводят в движение пыль и газ, образуя, таким образом на поверхности светящееся гало (“кому”), а также происходит удлинение хвостов.

Астрономы достаточно давно поняли, что такие активные кометы должны быть относительно молодыми членами Солнечной системы. Так, например, комета Галлея, у которой период вращения вокруг Солнца 76 лет, теряет около одной десятитысячной своей массы при каждом визите к Солнцу. Следовательно, что комета будет существовать только 10000 оборотов, и, таким, образом будет сохранять свою целостность всего около 500000 лет.

Если кометы образовались во время формирования Солнечной системы, то есть 4.5 млрд. лет назад, то должны были давно погибнуть к настоящему времени, растеряв свои летучие компоненты: пыль и газ. Почему тогда так много комет до сих пор мы обнаруживаем?

Да, действительно, кометы образовались на ранней стадии формирования Солнечной системы, но все это время они находятся на пассивной стадии в области, называемой облаком Оорта.

Голландский астроном Джон Оорт предположил существование в этой сфере кометного материала в 1950 году. Он полагал, что это облако имеет диаметр около 100000 астрономических единиц (АU - среднее расстояние между Землей и Солнцем, которое составляет около 150 млн. км) и содержит несколько сотен млрд. отдельных комет. Концепция Оорта предполагала, что случайное прохождение вблизи Облака звезды изменяет орбиту какой-либо кометы и ее траектория отклоняется в направлении к Солнцу.

Для большинства астрономов всю прошедшую половину столетия гипотеза Оорта хорошо объясняла размер и положение траекторий для так называемых долгопериодических комет (у которых оборот вокруг Солнца занимает более 200 лет). Однако гипотеза Оорта не могла объяснить происхождение короткопериодических комет, имеющих меньшую орбиту, слабо наклоненную к плоскости, в которой находится орбита Земли, называемая астрономами - эклиптикой.

Основная часть астрономов считает, что короткопериодические кометы первоначально двигались также, как и долгопериодические по огромным случайно ориентированным орбитам, и лишь благодаря гравитационному взаимодействию планет гигантов (в основном Юпитера) они стали иметь такие орбиты в настоящей момент.

Однако не все объясняется этой теорией. Еще в 1949 году Кеннет Эджеут написал научную статью, предполагая, что за пределами Солнечной системы существует диск содержащий кометы. В1951 году Койпер в своей статье также обсуждал такой кометный пояс, но он не сделал ссылку на более раннюю работу Эджеута. Койпер и другие считали, что Солнечная система не заканчивается орбитами Нептуна или Плутона (иногда Нептун удален от Солнца больше, чем Плутон). Они предполагали, что за пределами орбит Нептуна и Плутона находится пояс с остатками первичного материала, не использованного при образовании планет. Плотность материи в этой внешней зоне должна быть такой низкой, что большие планеты не могут образоваться здесь, но существуют меньшие объекты, возможно астероидных размеров. Так как это рассеянные остатки первичной материи, то они сохраняют низкую поверхностную температуру. Эти удаленные объекты должны бы состоять из водяного льда и различных замороженных газов, что делает их вполне похожими на ядра комет.

Гипотеза Койпера не находила места до 70-х годов, пока Пауль Джосс из Технологического института в Массачусетсе не рассмотрел вопрос, может ли на самом деле гравитация Юпитера изменить орбиту долгопериодической кометы на орбиту короткопериодической. Он описал, что возможность такого гравитационного захвата настолько мала, что непонятно, как могло образоваться такое большое количество короткопериодических комет.

Другие исследования были, однако, неспособны, подвергнуть этот результат сомнению, и облако Оорта осталось допустимым источником образования и долго- и короткопериодических комет. Но Джосс посеял зерно сомнения, и другие астрономы снова подошли к этому вопросу.

В 1980 году Джулио Фернандез предложил вычисления, из которых вытекало, что образование короткопериодических комет происходит по койперовским предположениям из транснептуновского источника.

В 1988 году Мартин Дункан из университета в Торонто, Томас Куин и Скотт Тримейн (оба из канадского Института теоретической астрофизики), используя компьютерное моделирование, исследовали, каким образом гигантские планеты могут захватывать кометы. Как и Джосс, они усомнились в достоверности источника образования короткопериодических комет. Сомнения были вызваны тем, что при исследовании тех немногих комет, которые могли быть выброшены из облака Оорта под действием гравитационных полей планет гигантов, и должны были бы теперь двигаться в сферическом рое, обнаружилось, что на самом деле орбиты короткопериодических комет стремятся к положению близкому плоскости эклиптики.

Дункан, Куин и Тримейн заметили, что короткопериодические кометы, захваченные с первоначальных орбит, незначительно отклоняются от эклиптики и объяснили это существованием пояса за пределами Солнечной системы.

Даже после опубликования их работ, Джейн Лу и Дэвид Джуйт были удивлены, что в области, где должно находиться множество тел, ни одно из них до сих пор не было обнаружено. И в 1987 году они начали проводить телескопический обзор неба, намереваясь обнаружить подобные объекты. Они пытались открыть любое тело, у которого орбита лежала во внешней части Солнечной системы.

Джейн Лу и Дэвид Джуйт использовали 2.2-метровый телескоп Гавайского университета. В течение 5 лет они фотографировали последовательно отдельные участки неба. Результат был отрицательным. И вот 30 августа 1992 года с помощью специальной аппаратуры и компьютера была обнаружена слабая “звезда”, которая показывала небольшой сдвиг на 2-х последовательных кадрах. Движение объекта было настолько слабым, что они сделали вывод о том, что его орбита лежит на расстоянии достигающем орбиты Плутона.

Сначала было подозрение, что этот объект является астероидом, который движется параллельно с Землей.

Но дальнейшие измерения опровергли эту возможность. Дальнейшие наблюдения и последующие вычисления показали, что орбита этого тела находится на огромном расстоянии (40 а.е.). Новый объект получил имя “1992 QB₁“.

Наблюдения QB₁показали, что он отражает в красной области спектра солнечного света больше, чем сам излучает. Таким же необычным свойством в Солнечной системе обладает лишь один объект - это астероид или комета под названием 5145 Pholus. Преобладание красного цвета у 5145 Pholus происходит от присутствия материи богатой углеродом на его поверхности.

Из первых серий наблюдений были сделаны оценки размера QB₁, которые составляли 200-250 км в поперечнике.

Некоторые астрономы в то время сомневались, что QB₁является объектом пояса Койпера. Но вот в марте 1993 года было найдено второе тело. Этот объект находится дальше от Солнца, чем QB₁и он обнаружен на противоположной стороне Солнечной системы.

В течение последних 3 лет еще несколько исследовательских групп занялись поиском новых объектов. И в настоящий момент в транснептуновском поясе Койпера обнаружено 32 объекта. Все эти вновь открытые небесные тела движутся по орбитам, слабо отклоненным от эклиптики. Они небольшого размера с диаметрами от 100 до 400 км, то есть значительно меньше, чем Плутон (около 2300 км) и его спутник, Харон (около 1100 км).

Предполагается, что пояс Койпера содержит, по крайней мере, 35000 объектов с размерами более, чем 100 км в диаметре. И, следовательно, пояс Койпера, возможно имеет суммарную массу в сотни раз больше, чем масса известного астероидного пояса между орбитами Марса и Юпитера.

Таким образом, пояс Койпера и в самом деле может служить местом, откуда появляются короткопериодические кометы. Однако, ученые Холман и Висдом, используя компьютерное моделирование показали, что в течение 100000 лет под действием гравитационных сил планет гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) происходит выброс комет, вращающихся вблизи них, с орбитами, простирающимися к самым дальним окрестностям Солнечной системы. Но тот факт, что тела остаются в поясе уже 4.5 млрд. лет, говорит о том, что они находятся на устойчивых орбитах, удаленных более чем на 40 а. е. от Солнца, и были сформированы вместе с Солнечной системой.

Итак, пояс Койпера, видимо, будет хорошим кандидатом для источника, порождающим кометы. Компьютерное моделирование показало, что гравитационные силы Нептуна медленно выветривают внутренний край пояса Койпера (область внутри 40 а. е.), направляя объекты внутрь Солнечной системы. И, в конечном счете, множество малых тел медленно сгорают как кометы. Некоторые - такие как комета Шумахера-Леви 9, которая столкнулась с Юпитером в июле 1994 года, заканчивают свою жизнь так внезапно. Другие, под действием сильных гравитационных полей более крупных тел, будут выброшены в межзвездное пространство.

Если пояс Койпера является источником короткопериодических комет, то возникает очевидный вопрос: какие кометы из пояса Койпера сейчас направлены во внутрь Солнечной системы. Ответом может быть группа объектов Центавра, которая включает излишне красный 5145 Pholus. Центавры передвигаются по огромным планетным орбитам и являются в основном неустойчивыми образованьями. Они могут оставаться между гигантскими планетами только несколько млн. лет, затем гравитационное взаимодействие изменит их орбиты и сообщит новое направление за пределы Солнечной системы или внутрь на более меньшие орбиты. Время жизни таких орбит короче, чем возраст Солнечной системы. Таким образом, наблюдаемые в настоящий момент Центавры могут и не быть на том месте, где они были сформированы. Однако, судя по орбитам, совершенно невозможно сделать вывод, где находился источник их образования. Более вероятным в этом случае является находящийся вблизи пояс Койпера. Центавры, таким образом, можно считать “транзитными кометами”, сформированными в поясе Койпера.

Одним из доказательством этой гипотезы может служить один из Центавров -

2060 Сhiron.

Открыв этот объект, считалось, что он является необычным астероидом, теперь же твердо установлено, что он является кометой со слабой, но устойчивой комой.

Изучая пояс Койпера, некоторые из астрономов начинают задаваться вопросом, может ли этот источник производить что-либо более, чем кометы?

Является ли совпадением, что Плутон, его спутник Харон и спутник Нептуна - Тритон лежат в окрестностях пояса Койпера? Этот вопрос обусловлен тем, что Плутон, Харон и Тритон очень похожи друг на друга, но в то же время сильно отличаются от соседей. Так, например, плотность Плутона и Тритона является намного выше, чем любой другой планеты гиганта. Орбитальное движение этих тел также является весьма необычным. Так Тритон вращается вокруг Нептуна в “попятном” направлении, то есть в противоположную сторону к орбитальному направлению в отличие от всех планет и большинства спутников. Орбита Плутона очень сильно отклонена от эклиптики, и она так далека от круга, что даже пересекает орбиту Нептуна. Однако Плутон застрахован от возможного столкновения с большой планетой благодаря необычной орбитальной зависимости известной как 3:2 резонанс от среднего движения. То есть, для 3-х оборотов Нептуна вокруг Солнца, Плутон делает лишь только 2. Таким образом, все это наводит на мысль, что Плутон, Харон и Тритон были сформированы вместе. Алан Штерм в 1991 году первым предложил эту идею. Все эти 3 тела, возможно были выброшены из пояса Койпера Нептуном, который впоследствии захватил Тритон и затормозил Плутон с Хароном.

Интересно, что этот орбитальный резонанс также оказывает влияние на положение многих объектов пояса Койпера. Свыше половины вновь открытых тел имеют тот же резонанс 3:2 от среднего движения и, подобно Плутону, их орбиты могут существовать млрд. лет. Предполагается, что в этой области должно быть несколько тысяч “маленьких Плутонов” с размером более 100 км в поперечнике.

Недавнее открытие объектов в поясе Койпера являются новым доказательством этого предположения. Плутон же рассматривается, как член пояса Койпера и выделен лишь из-за того, что больше других. Ученые на основании этого предлагают закончить счет планет Солнечной системы на 8.

Итак, мы видим, что последние исследования пояса Койпера предоставляют нам все новые и новые сюрпризы.

Май 1996 год

Jane X. Luu, David C. Jewitt