Все о космосе

Пояс Койпера

К концу 80-х астрономы установили, что источником всех ко­мет семейства Юпитера является дископодобная область за орбитой Непту­на. Первый, после Плутона, объект Пояса Койпера (ОПК) был обнаружен в 1992 году. Этот объект, обозначенный 1992 QB1, в 1000 раз слабее Плутона, примерно в 10 — 15 раз меньше в диа­метре.

Около 1000 ОПК с диаметрами от 50 до 1200 км обнаружено на сегодняш­ний день. Ожидается, что Пояс Койпе­ра содержит множество тел меньших размеров, в частности, комет, а также большие тела, размером с Плутон. По оценкам ученых, в дискообразной об­ласти, простирающейся от 30 до 55 а.е. от Солнца, содержится более 100 000 объектов с диаметром свыше 50 км, из них 35 000 — диаметром свыше 100 км. Группа астрономов во главе с Анитой Кочран (Anita Cochran) сообщила, что с использованием орбитального телеско­па Хаббла обнаружены чрезвычайно слабые ОПК, возможно имеющие толь­ко 20 км в поперечнике. По ее оценкам таких объектов в Поясе Койпера может содержаться до 100 миллионов. Это свидетельствует в пользу того, что Пояс Койпера более грандиозное образова­ние, чем пояс астероидов между Мар­сом и Юпитером.

ОПК по видам своих орбит делятся на три категории: классические; рассе­янные ОПК, эллиптические орбиты ко­торых растягиваются далеко за 50 или даже за 100 а.е.; резонансные объекты, периоды которых связаны, как и у Плу­тона, резонансными соотношениями с периодом Нептуна (эти объекты еще на­зывают плутинос).

Классические ОПК. Большинство наблюдаемых объектов в поясе нахо­дятся далеко за орбитой Нептуна и не подвержены его гравитационному воздействию. Типичный представитель классических ОПК — 1992 QB1. Та­кие объекты могут существовать в те­чение всего возраста Солнечной систе­мы. Их орбиты стабильны и располо­жены, в основном, в области от 42 до 48 а.е. Наклон орбит классических ОПК находится в пределах 30°. Нали­чие орбит с таким широким диапазо­ном углов наклона можно объяснить либо присутствием больших масс (планетозималей) в этой области на этапе формирования пояса, либо близким прохождением звезды мимо Солнеч­ной системы. Эти факторы могли бы вызвать возмущения первоначальных орбит.

Рассеянные ОПК. Некоторые ОПК обладают наклоненными эксцентрич­ными орбитами. Типичный представи­тель рассеянных ОПК — 1996 TL66, об­наруженный с использованием телес­копа Mauna Kea Гавайского универси­тета. На сегодняшний день обнаружено большое количество рассеянных ОПК. Перигелии этих объектов расположены на расстоянии, примерно, 35 а.е. от Солнца, что позволяет Нептуну оказы­вать слабое гравитационное воздейс­твие на орбиты ОПК, изменяя их на протяжении миллиардов лет. В сово­купности орбиты рассеянных ОПК фор­мируют   утолщенное   облако   вокруг классических ОПК и плутинос, прости­рающееся на огромные расстояния. Афелий орбиты объекта 1999 CF119 удален от Солнца на 200 а.е. Существу­ют объекты с еще более вытянутыми орбитами, однако их обнаружение зат­руднено тем, что в области, где они мог­ли бы быть замечены, в районе периге­лия, они находятся сравнительно ко­роткий промежуток времени. Так, объект 1999 CF119 доступен для наблю­дений на 10% его орбиты. Объекты этого класса, как предполагается, по­лучили свои причудливые орбиты в ре­зультате взаимодействия с крупными планетными телами (планетозималями), формировавшимися в этой области Солнечной системы на заре ее образова­ния. Часть объектов этого класса при взаимодействии с гравитационными полями Нептуна и других планет, либо покидало нашу систему, либо прекра­щало свое существование в результате столкновений с планетами или Сол­нцем. Рассеянные ОПК, получившие очень вытянутые орбиты, могли осво­бодиться от гравитационного влияния Солнца и продолжить свой долгий путь в межзвездном пространстве. На орби­ты с афелием до 100 а.е. не влияет при­тяжение соседних звезд и Галактики. Пояс Койпера является потенциаль­ным источником короткопериодических комет благодаря динамическому воздействию Нептуна на орбиты рассе­янных ОПК. При их движении по воз­мущенным траекториям внутрь Сол­нечной системы льды с их поверхности начинают испаряться и мы классифи­цируем эти объекты как кометы. Се­годня известно более двух десятков объектов, называемых Кентаврами, орбиты которых расположены между орбитами Юпитера и Нептуна. Самые крупные и типичные представители этого класса объектов — Хирон (2060 Chiron), 170 км в диаметре, и Фолус (5145 Pholus). Наличие Кентавров — продукт воздействия Нептуна на рас­сеянные ОПК. Их орбиты неустойчи­вы, а дальнейшая судьба неопределен­на. Они имеют признаки слабой кометной активности, а изображения свиде­тельствуют о наличии разряженной комы — едва заметного кометного хвоста. Если гравитационные воздейс­твия изменят их траектории в область внутренних планет — мы будем наб­людать грандиозные кометы. Хирон в 20 раз больше, чем ядро всем извес­тной кометы Галлея.

Резонансные ОПК. Оказалось, что многие ОПК вращаются вокруг Сол­нца с резонансом 3:2 по отношению к Нептуну. Это означает, что они совер­шают два оборота по своей орбите за то же время, за которое Нептун делает три оборота по своей. Плутон — самый крупный представитель резонансных ОПК. Кроме Плутона существует мно­жество объектов с таким же резонан­сным соотношением (напр. 1993 SB, 1995 QY9 и др.). Некоторые другие объекты обладают иными резонансами (для 1995 DA2 он равен 4:3). Орбиты с резонансом 3:2 очень стабильны. Плутинос не испытывают гравитационных воздействий со стороны Нептуна, так как никогда не подходят к нему близ­ко. Особенность этих орбит хорошо ил­люстрирует пример Плутона. Орбиты Нептуна и Плутона пересекаются, од­нако их столкновение никогда не про­изойдет. Как отмечалось раньше, эти две планеты никогда не сближаются более чем на 18 а.е. Область обитания плутинос — 26 — 53 а.е. (напомним: Плутон — 29,6 — 49,3 а.е., Нептун — 30 а.е.).

Основываясь на аналогии с ядрами комет, а также на результатах иссле­дований в области миллиметровых длин волн, можно сделать вывод, что поверхности ОПК очень темные и от­ражают от 3 до 10% падающего на них света (низкое альбедо). Обнару­жено, что ОПК имеют широкий диа­пазон цветов поверхности, от серого до ярко-красного. Не ясно, является ли это генетическим признаком либо следствием формирования повер­хностей в результате эрозии или ка­тастрофических воздействий (стол­кновений). Имеются свидетельства наличия водяного и других льдов на ОПК. Ученые полагают, что ОПК сос­тоят из смеси камня и льдов с приме­сями органических и других слож­ных соединений. Темная поверхность может формироваться в результате длительного воздействия космичес­ких лучей. Это воздействие приводит к потере водорода в поверхностном слое и образованию оболочки из хи­мически сложных полимеров, многие из которых имеют красный цвет из-за высокого содержания углерода. Серый цвет ОПК могут приобретать в результате столкновений и выбросов внутренних, более светлых пород, впоследствии оседающих на повер­хности. Этот процесс характерен для Луны, где молодые кратеры форми­руют более светлые лучи на фоне пер­воначально темной поверхности. В осветлении поверхности может при­нимать участие также вулканичес­кая деятельность, если она существу­ет. Получив крупномасштабные кар­ты, ученые надеются объяснить наб­людаемое цветовое разнообразие. Это должно дать ключ к пониманию про­цессов формирования внешней облас­ти Солнечной системы.

Большую роль в формировании ОПК играют столкновения в Поясе Койпера. Общепринято мнение, что короткопериодические кометы и Кентавры — продукт этих столкновений и последу­ющих возмущений со стороны гравита­ционного поля Нептуна.

Как сформировался Пояс Койпера? Моделирование на компью­тере показывает, что это происходило на ранней ста­дии развития Солнечной системы. Полная масса По­яса Койпера сегодня равна 0,5 — 1 земным массам. Предполагается, что перво­начальная масса была в 50 раз большей. Эта оценка массы говорит о том, что границы Солнечной систе­мы простирались, по край­ней мере, до внешних гра­ниц Пояса Койпера (55 а.е.).

Основываясь на размерах и орбитах Пояса Койпера, можно предположить, что в этой области происходило форми­рование планеты размером с Нептун. Однако формирование Нептуна, за­вершившееся несколько раньше, прервало этот процесс. Последующее гравитационное воздействие разру­шило не до конца сформировавшуюся планету и привело к многочисленным столкновениям тел в этом регионе. Часть материи проникла во внутрен­нюю область Солнечной системы и упала на планеты или Солнце, часть — наблюдается в виде современных объектов Пояса Койпера, а часть тел была разрушена в пыль и покинула пределы Солнечной системы под воз­действием гравитационных полей планет или солнечного ветра. Допол­нительный стимул к изучению Пояса Койпера придает тот факт, что в систе­мах многих звезд нашей Галактики происходят, похоже, аналогичные процессы (Вега, Бета Живописца и др.). Пояс Койпера и то, что мы знаем о нем сегодня, в значительной степени изменяет наши представления о про­цессах образования комет, формиро­вания планет-гигантов и внешних об­ластей Солнечной системы. Посколь­ку ОПК подобны по своему составу планетозималям, сформировавшим ядра планет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, то, изучив строение и сос­тав объектов Пояса Койпера, мы смо­жем "заглянуть" глубоко в недра пла­нет-гигантов.

В соответствии с программой в рамках миссии "Новые горизонты", исследование Пояса Койпера завер­шится в 2022 году. После этого чело­вечество потратит десятилетия для анализа полученной информации. Будут строиться новые теории, разра­батываться новые программы поле­тов. А космический аппарат, собрав для нас бесценную информацию и ис­черпав свои ресурсы, будет продол­жать свой путь среди ледяных тел че­рез Пояс Койпера и далее — через Облако Оорта в межзвездное прос­транство. Известно несколько тел в По­ясе Койпера диаметром свы­ше 1000 км. Это, прежде всего, Плутон и его спутник Харон. Тело подобного масштаба было откры­то в 2001 году. Его назвали Варуна. 4 июня 2002 года Чед Трухильо (Chad Trujillo) и Майк Браун (Mike Brown) сообщили об открытии объекта 2002 LM60, самого большего в Солнечной системе после открытия Плутона в 1930 году. Этот объект назвали Коаоар (Quaoar) в честь божества индей­цев, ранее проживавших на террито­рии Калифорнии. Коаоар первона­чально был обнаружен на изображе­ниях, полученных 4 июня на 48 дюй­мовом телескопе Oschin Паломарской обсерватории. Чад Трухильо связался с Майком Брауном, который с использованием телескопа Хаббла провел визуальные наблюдения. Размеры объектов Пояса Койпера определить очень сложно вследствие их большой удаленности. Коаоар вращается почти по круговой орбите на расстоянии 6,3 миллиарда ки­лометров (42 а.е.). Свет от Солнца идет к нему 5 часов. Год на Коаоаре длится 285 земных лет. Он относится к классическим ОПК, его диаметр оценивается в 1200 ± 200 км (по оценкам авторов открытия — 1250 км). В начале 80-х годов Коаоар был сфотографирован астрономом Чарли Коуелом (Charlie Kowal) в процессе поиска десятой планеты X. Коуел не нашел десятую планету и не отождествил слабый объект, впос­ледствии названный Коаоаром. Одна­ко орбита этого тела была значительно уточнена благодаря использованию полученных им фотографий.

Харольд Левисон (Harold Levison) из SWRI и другие ученые полагают, что со временем в Поясе Койпера бу­дут обнаружены тела размерами с Плутон или даже больше. Маловеро­ятно, что Пояс Койпера может содер­жать объекты величиной с Луну или Марс. Последние открытия свиде­тельствуют о том, что Плутон — са­мый крупный объект Пояса Койпера из известных на сегодняшний день. Если бы Плутон был открыт на 70 лет позже, никому не пришло бы в голову назвать его планетой, считает Майк Браун.

Сергей Гордиенко.

По материалам сети Интернет