Солнечная система

Глава XI ПЛУТОН И ХАРОН

Плутон:

Большая полуось орбиты 39,4 а.е.=5,9 млрд. км.

Сидерический период обращения 247,7 лет=90470 сут. («год»).

Синодический период (средний) 1,00 лет=367 сут.

Сидерический период вращения 6,39 сут.=6сут. 9ч. 17мин. («звездные сутки»).

Наклонение орбиты к эклиптике 17,2°.

Эксцентриситет орбиты 0,25.

Средняя орбитальная скорость 4,7 км/с.

Наклон экватора к орбите (вращение 57,5° обратное).

Масса 1,3×10²² кг.=0,002 М_⊕.

Средняя плотность 2,0 г/см³.

Экваториальный радиус 1150 км.=0,18 R_⊕.

Ускорение свободного падения 0,58 м/с².

Скорость ускользания (2-я космич.) 1,2 км/с.

Сферическое альбедо (по Бонду) 0,4—0,6.

Геометрическое альбедо (визуальное) 0,5—0,7.

Визуальная звездная величина 14^m.

Поток солнечного излучения у поверхности 0,88 Вт/м².

Поглощаемая радиация 3×10⁶ МВт.

Эффективная температура 38 К.

Состав атмосферы CH₄N₂.

Количество спутников 3.

Спутник Харон:

Радиус 603 км.

Масса 1,6×10²¹ кг.

Средняя плотность 1,7 г/см³.

Ускорение свободного падения 0,31 м/с².

Скорость ускользания (2-я космич.) 0,6 км/с.

Радиус орбиты (круговая) 19600 км.

Наклонение орбиты к эклиптике 64°.

Наклонение орбиты к орбите Плутона 57,5°.

Период (орбитальный и суточный) 6,38725 сут. (движение обратное).

Визуальная звездная величина 17^m.

Плутон столь значительно отличается от планет-гигантов, что с тех пор, как Клайд Томбо (1906—1997) открыл его в 1930 г., различные гипотезы о происхождении Плутона выдвигались много раз.

Известно, что положение Плутона в Солнечной системе противоречит эмпирическому правилу Тициуса-Боде, которое предсказывает для него большую полуось орбиты 77 а.е. (при действительном значении 39,4 а.е.). Для Нептуна тоже нет хорошего соответствия: 30,1 а.е. вместо предсказанных 38,8 а.е. Но положение планетных орбит в действительности определяется теорией резонансов, а правило Тициуса-Боде — это ее частный случай. Положение орбит Нептуна и Плутона соответствует 1:2 и 1:3 относительно Урана и, как результат, 2:3 для орбиты Плутона относительно Нептуна.

В 1936 г., когда еще не знали, что Плутон — двойная планета, была предложена гипотеза о том, что когда-то он был одним из спутников Нептуна, но в результате сближения с неизвестной планетой оказался выброшен из системы, а другой спутник Нептуна — Тритон — перешел при этом на необычную орбиту с обратным вращением. Предполагалось даже, что исходя из нынешних орбит Плутона и Тритона можно рассчитать массу и орбиту неизвестной планеты.

Плутон действительно похож на спутник Нептуна Тритон. И хотя критики утверждали, что орбиты Нептуна и Плутона вообще никогда не пересекались, идея близкого родства этих тел постепенно распространялась. В 1984 г. были даже выполнены расчеты совместного происхождения Тритона и Плутона, в которых рассматривалась возможность захвата Нептуном массивного протопланетного тела (планетезимали), распавшегося на Тритон и Плутон. Расчеты дали совсем другой результат. Они показали, что если бы такая катастрофа произошла, то вторая, «плутонная» половина, по-видимому, была бы выброшена за пределы Солнечной системы, и что Тритон и Плутон скорее всего имеют независимое происхождение.

Тем не менее внешнее (а возможно, и внутреннее) сходство двух этих тел несомненно, если учесть подобие в составе, средней плотности, размерах, особенностях атмосфер и расстояниях от Солнца. Другой вопрос — вероятность катастрофы таких масштабов и возможность восстановить ее подробности расчетным путем на основе известных в настоящее время орбит. Хотя подобные катастрофы действительно возможны, происхождение Плутона связывается теперь не с Нептуном, а с поясом транснептуновых объектов (поясом Койпера), о котором будет рассказано ниже. Формальным признанием «неполноценности» Плутона как планеты стало решение MAC (2006 г.) о введении нового семейства тел Солнечной системы — планет-карликов, прототипом которых и стал Плутон.

Из-за большого эксцентриситета своей орбиты Плутон с 1979 г. по 1999 г. был ближе к Солнцу, чем Нептун. Начиная с 1930 г., когда он был открыт, Плутон все еще находится к северу от эклиптики, и ныне (2007 г.) его высота над нею около 4 а.е.

Еще в 1960-х гг. было установлено, что блеск Плутона изменяется с периодом 6сут. 9ч. 17мин. Это значение приняли как период вращения Плутона, и не ошиблись. Но оказалось, что это же значение имеют еще два важных периода, связанные с Плутоном. В 1978 г. было доказано, что чуть вытянутая форма изображения Плутона на фотоснимках означает наличие у него спутника. Оба тела имеют близкие размеры, поэтому правильнее называть их двойной планетой или системой двух планет. Тем не менее принято говорить о Плутоне и его спутнике Хароне.

С космического телескопа «Хаббл», для которого не существует проблемы земной атмосферы, впервые удалось сделать снимок, на котором раздельно видны Плутон и Харон. Они так близки друг к другу (<1"), что с Земли их вначале удавалось разделить только методом спекл-интерферометрии, но к 2000 г. новые наземные телескопы с активной оптикой позволили уверенно разделить Плутон и Харон. Период 6,387 сут оказался также периодом их взаимного обращения вокруг общего барицентра. По измеренному периоду и радиусу орбиты удалось измерить общую массу системы Плутон-Харон (1,47×10²² кг.=0,0025 М_⊕). Отношение их масс (1/7) выше, чем у любой другой пары спутник-планета.

Рис. Фото Плутона (слева) и Харона, полученное космическим телескопом «Хаббл» в 1994 г.

Плоскость орбит компонентов повернута к Земле так, что в 1985 г. начались их систематические взаимные затмения (покрытия), длившиеся по нескольку часов. Полная фаза затмений была в 1988 г., а закончились они в 1991 г. Это позволило не только уточнить размеры компонентов, но даже исследовать распределение альбедо по их поверхности. Следующий период затмений повторится только через 124 года. Уменьшение блеска при затмениях составляло поочередно 4 и 8%, из чего сделан вывод, что поверхность Харона на 30% темнее, чем у Плутона. Ныне с телескопа «Хаббл» уже получены нечеткие еще изображения Плутона.

Рис. Плутон.

От Плутона диск Солнца неразличим для невооруженного глаза. Поэтому Солнце там блестит как ослепительная звезда, тускло освещая поверхность. Впрочем, этого освещения должно быть достаточно для телевизионной съемки и даже для чтения.

Спектрометрические измерения уверенно указывают на присутствие на Плутоне метана. Но неясно, относятся ли наблюдающиеся метановые полосы к атмосфере или к инею на поверхности. Вероятно, иней метана есть, но и существование атмосферы также доказано, причем она даже не очень разреженная. Вначале исследователи исходили из того, что она состоит из метана, и заключали, что атмосфера Плутона тонка, но на пределе возможностей современной аппаратуры ее удается обнаружить. В полученном спектре отражения Плутона имеются полосы у длин волн 620, 790 и 840 нм., которые совпадают с расчетным спектром поглощения метана. Эти полосы, вероятнее всего, относятся к газовой фазе.

Толщина атмосферы Плутона оценивалась всего в 7,3×10²² молекул/см² (около 1/3 содержания углекислого газа в столбе атмосферы Марса). Но эта оценка относится только к метану. Напомним: у Тритона и Титана азотные атмосферы. В атмосфере Плутона азота тоже может быть много. Возможно и присутствие аргона. Согласно последним измерениям, атмосфера Плутона может быть более плотной, чем предполагалось. В 1988 г. наблюдалось покрытие Плутоном звезды: ее яркость убывала постепенно, в течение нескольких секунд, что несомненно указывает на довольно плотную атмосферу.

Глобальные колебания температуры Плутона должны приводить к накоплению конденсатов метана и азота в полярных шапках зимой и увеличению атмосферной массы летом, в период таяния полярных шапок. Согласно расчетам, уменьшение температуры всего на 2 градуса приводит к конденсации половины атмосферного метана на Плутоне. Поэтому содержание метана в атмосфере должно особенно сильно меняться в зависимости от положения Плутона на орбите, вызывающего сезонные изменения температуры.

Если на Земле смена сезонов в основном обязана наклону экватора планеты к ее орбитальной плоскости, то на Плутоне и Хароне к большому наклону экватора добавляется и большой эксцентриситет орбиты (0,25), что изменяет поток падающего на поверхность солнечного тепла на ±56% за 248 лет. Это приводит к глобальному потеплению в перигелии орбиты и к охлаждению в афелии. Плутон прошел перигелий в 1989 г. Вероятно, значительная часть отложений метана и азота перешла при этом с поверхности в атмосферу.

Ось вращения Плутона ориентирована в нашу эпоху так, что в перигелии и афелии он повернут экватором к Солнцу. Это делает сезонные эффекты довольно замысловатыми. В полярных областях Плутона смена сезонов, в целом, такая же, как на Земле — одна зима и одно лето за год, хотя есть различие между полушариями: в южном быстро наступает лето и медленно — зима, а в северном наоборот. Но в экваториальных областях друг друга сменяют четыре сезона: два сезона низкого Солнца и два — высокого, которые можно назвать «летними», но при этом одно лето более теплое, а другое — более прохладное. В период теплого лета температура достигает —220 °С, а в зимний период опускается до —240 °С. Расчет показывает, что в результате прецессии ось Плутона описывает конус вокруг оси его орбиты с периодом в несколько миллионов лет (у Земли этот период всего 26 тыс. лет). Поэтому примерно через миллион лет ось Плутона, подобно земной оси, будет в перигелии и афелии смотреть в сторону Солнца (под углом 33°), и смена сезонов станет проще: в каждом полушарии будет четкая смена зимы и лета, причем в одном из полушарий лето будет «жарче», чем в другом.

Неожиданный результат был получен при расчете структуры атмосферы Плутона. Оказалось, что из-за малого расстояния между Плутоном и Хароном у них должна быть общая атмосфера. Но это требует подтверждения. Если существующие оценки массы Плутона и Харона правильны, то метан в атмосфере Плутона находится на грани диссипации. Для сохранения метановой атмосферы требуются примерно такие параметры: масса Плутона 2,3×10²² кг. (1/3 массы Луны), радиус 1400 км., средняя температура поверхности не более 52 К, максимальная 62 К. При этом сферическое альбедо должно быть около 0,45, а ускорение свободного падения у поверхности около 0,8 м/с².

В 1988—91 гг. методами астрометрии удалось определить положение центра масс и оценить среднюю плотность Плутона как 1,8—2,1 г/см³., что типично для силикатно-ледяных тел вроде Тритона, Титана или Ганимеда. Плотность Харона получилась равной 1,2—1,3 г/см³. Отсюда следовало, что состав Плутона — это каменные породы и водяной лед, а Харон — это аналог ледяных спутников Сатурна. Такое различие должно было указывать на независимое происхождение этих небесных тел. Однако позже были получены иные оценки: расстояние между центрами компонентов 19640 км., диаметр Плутона 2300 км., диаметр Харона 1200 км. Полная масса системы 1,46×10²² кг., из которых на Харон приходится около 10%. Отсюда плотность Харона 1,7 г/см³, что заметно ближе к плотности Плутона. Таким образом, вопрос о происхождении Плутона и Харона остается открытым до более детального их исследования.

Выше говорилось о гипотезе образования двойной системы Плутон-Харон в космической катастрофе, но ныне проблема получила новое освещение: происхождение Плутона весьма вероятно связано с поясом транснептуновых объектов.

Кеннет Эджворт в Англии (1943, 1949 гг.) и Джерард Койпер в США (1951 г.) выдвинули гипотезу о существовании, наряду с облаком Оорта, еще одного, более близкого резервуара комет. Ныне гипотеза подтверждается; за этой зоной закрепилось название «пояс Койпера». Вначале, в 1992 г. в результате многолетних поисков был обнаружен очень далекий и слабый объект, названный 1992 QB1, принадлежащий Солнечной системе и находящийся далеко за орбитами Нептуна и Плутона, на расстоянии 41 а.е. Объект оказался гигантским ядром кометы, размером 200—500 км. (размер ядра кометы Галлея «всего» около 10 км.). Уточненная орбита оказалась именно такой, как была предсказана: почти круговой, с большой полуосью 44 а.е. и малым наклонением к эклиптике (2°). Всего через год был обнаружен еще один объект такого же размера, 1993 FW, также с большой полуосью 44 а.е. и наклонением 8°. Поскольку в ходе их поиска был исследован лишь небольшой участок неба, стало ясно, что таких объектов должно быть очень много. В том же 1993 г. были обнаружены еще 4 объекта в интервале от 32 до 34 а.е. снова с малым наклонением орбиты. Поэтому первичные предположения, что 1992 QB1 и 1993 FW могут быть кометами, идущими из облака Оорта, были полностью отвергнуты. Тела этого типа получили название «транснептуновые объекты», или ТНО.

Астрономы давно подметили, что орбиты большинства короткопериодических комет лежат близ плоскости эклиптики, а орбиты долгопериодических комет расположены как угодно. Теперь это объясняется просто: первые приходят из пояса Койпера, вторые — из облака Оорта. В отличие от населения облака Оорта объекты пояса Койпера сформировались неподалеку, на окраине планетной системы, поэтому плоскости их орбит близки к эклиптике. Там могла бы сформироваться еще одна планета, но из-за взаимной удаленности и медленного движения находящихся в поясе Койпера тел на это не хватило 4,5 миллиардов лет существования Солнечной системы. Можно считать, что эта планета формируется у нас на глазах.

К 2007 г. было найдено более 1200 ТНО. Большинство из них, «классические» ТНО, находятся на расстояниях 40—50 а.е., имеют сравнительно небольшие эксцентриситеты (до 0,2) и наклонения орбит (до 40°). В своем движении они не входят в резонанс с Нептуном. Удалось обнаружить ТНО на орбитах, существенно превышающих орбиту Плутона. Например, у объекта 1999 DG8 большая полуось орбиты составляет 61 а.е., а объект 1996 TL66, имеющий вытянутую (е=0,58) орбиту с большой полуосью 84 а.е., удаляется от Солнца в афелии втрое дальше Плутона.

Общая численность населения пояса Койпера составляет порядка 10⁸—10¹⁰. Такая оценка следует из числа наблюдаемых короткопериодических комет. Внешняя граница пояса Койпера может находится очень далеко, на расстоянии сотен астрономических единиц, а общая масса его населения может составить десятки масс Земли.

Сейчас, после длительных поисков, астрономы уверены, что крупной планеты за орбитой Нептуна нет. Поэтому все возмущения кометных орбит, превращающие их из круговых в вытянутые, может создавать только Нептун (ничтожная масса Плутона позволяет им полностью пренебречь). Под действием этих возмущений тела пояса Койпера иногда переходят на эллиптическую орбиту и в качестве короткопериодических комет проникают в область внутренних планет. Но расчеты показали, что влияние Нептуна на население пояса Койпера все же весьма ограничено. Во-первых, дальше 48 а.е. находится стабильная зона, где движение кометных тел от Нептуна уже практически не зависит. Во-вторых, на возмущение Нептуном орбит даже более близких тел, 40—41 а.е., требуется около миллиарда лет. Четыре объекта, найденных в пределах 33—35 а.е., находятся на нестабильных орбитах и на своем пути к появлению в качестве короткопериодических комет.

Саймон Т. Поиски планеты Икс. М.: Мир, 1966.

Уайт А. Планета Плутон. М.: Мир, 1983.

Рускол Е.Л. Естественные спутники планет. М.: ВИНИТИ, 1986. В сер. Итоги науки и техники. Астрономия, том 28.