Плутон колись був далекою аномалією у нашій Сонячній системі. Упродовж десятиліть він вважався дев’ятою планетою. Все змінилося у серпні 2006 року. Міжнародний астрономічний союз (МАС) позбавив Плутон статус планети. Його перекласифікували як карликову планету. Це рішення не було довільним. Воно відбиває розуміння того, чим насправді є Плутон. Це великий об’єкт пояса Койпера. Цей регіон є кільцем з льоду і кам’янистих уламків, що залишилися після формування Сонячної системи. Він знаходиться за орбітою Нептуна.
Міжнародна астрономічна спілка дотримується жорсткої позиції. Планети мають «очистити» свій орбітальний простір з інших великих тіл. Плутон ділить свою орбіту з безліччю інших об’єктів пояса Койпера. Саме тому він не проходить цей тест. Ця зміна у класифікації підкреслює різницю між карликовими та великими планетами. Йдеться контролю над орбітою. Плутон важливий. Але він не є “королем” своєї галузі.
Подвійна система у темряві
Плутон невидимий неозброєним оком. Він надто далекий. Він надто малий. Він занадто тьмяний. Його найбільший супутник Харон повністю змінює цю динаміку. Харон величезний проти Плутоном. Через близькість їх розмірів вчені часто розглядають як подвійну систему. Два об’єкти обертаються навколо загального центру мас. Символ Плутона – ♇. Це данина поваги до римського бога підземного царства. Його грецький аналог – Аїд. Ім’я ідеально підходить. Це холодне та темне місце.
Світло поширюється дуже швидко. Близько 300 000 кілометрів на секунду. Однак сонячному світлу потрібно понад п’ять годин, щоб досягти Плутона. Уявіть Сонце як яскраву зірку. Ось і все. Інтенсивність цього світла становить приблизно 1/1600 від світла, що отримується Землею. Температура падає настільки, що звичайні гази замерзають. Азот. Окис вуглецю. Вони з’являються на поверхні у вигляді твердого льоду. Це світ, де повітря замерзло.
«Нові горизонти» переривають мовчання
Телескопи Землі роками стикалися з труднощами. Навіть найкращі інструменти на орбіті дають мало деталей. Основне залишається незрозумілим. Який радіус Плутона? Яка його маса? Числа розмиті. Протягом десятиліть ми дізнавалися більше про поверхню Марса, ніж про цю далеку крижану кулю.
Все змінилося у липні 2015 року. Космічний апарат NASA «Нові горизонти» пролетів близько до Плутона та Харона. Це був перший раз в історії, коли вдалося одержати детальні знімки поблизу. Місія відповіла на важливі запитання. Вона склала карту рельєфу. Відкрився складний світ гір та рівнин. До “Нових горизонтів” Плутон був просто розмитим пікселем. Потім він став справжньою метою.
Дивна орбіта карликової планети
Орбіта Плутона навколо Сонця є хаотичною в порівнянні з іншими планетами. Середня відстань становить близько 5,9 мільярда кілометрів. Це 39,5 астрономічних одиниць (тобто). 1 астрономічна одиниця — це відстань між Землею та Сонцем. Орбіта Плутона витягнута. Астрономи називають це високим ексцентриситетом. Вона також нахилена на 17,1 градуса щодо площини екліптики. Більшість планет залишаються у плоскій орбітальній системі. Плутон нахилений.
Цей ексцентриситет створює дивні проблеми із близькістю. Відстань Плутона від Сонця варіюється від 29,7 а. (перигелій) у найближчій точці до 49,5 а. (афелій) у найдальшій точці. Орбіта Нептуна майже кругова, 30,1 а. Якогось моменту кожного звернення Плутон фактично перетинає орбіту Нептуна. Він виявляється ближчим до Сонця, ніж Нептун.
Чи не викликає це зіткнення? Ні, гравітація запобігає хаосу тут. Плутон і Нептун перебувають у резонансі 3:2. Нептун здійснює три обороти навколо Сонця, тоді як Плутон здійснює два обороти. Цей гравітаційний танець не дозволяє їм зблизитись ближче ніж на 17 а. Вони проходять повз безпечно. Востаннє Плутон досягав перигелія в 1989 році, і приблизно протягом 10 років до і після цього Плутон був восьмою планетою від Сонця.
Сплячий на боці
Плутон обертається повільно. Період обертання становить 6,3873 земних діб. То був його сидеричний день. З великих планет лише Меркурій та Венера обертаються так повільно. Однак нахил осі Плутона екстремальний. Його вісь нахилена на 120 градусів від нормалі до орбітальної площини.
Це означає, що Плутон обертається “на боці”. Північний полюс вказує на 30 градусів нижче за орбітальну площину. Північний полюс Землі нахилений нагору на 23,5 градуса. Ретроградне обертання Плутона ще дивніше. Він обертається у напрямку, протилежному Сонцю та більшості планет. Якби ви стояли на Плутоні, ви бачили б, як Сонце сходить на заході. Воно сідає на сході. День у підземному царстві – це заплутаний досвід.
Шахрая не вписується.
Ні за розміром, ні за густиною, і тим більше за фізичним складом. Порівняно з іншими планетами він є аномалією. Його радіус менш ніж удвічі менший, ніж у Меркурія. Він становить лише близько двох третин розміру Місяця Землі. Поруч із газовими та крижаними гігантами зовнішньої Сонячної системи — Юпітером, Сатурном, Ураном та Нептуном — він виглядає як камінь.
Але справжня підказка полягає не лише у його малих розмірах. Вона полягає в тому, з чого він складається.
Коли ви поєднуєте його маленький розмір з низькою щільністю і складом, Плуто починає виглядати менше як карликова планета і більше як супутник. Більш конкретно, він схожий на великий крижаний супутник, що обертається навколо зовнішньої гігантської зірки.
Аргументи на користь супутникового походження
Найближчий двійник Плуто у всій Сонячній системі — це інша планета. Це найбільший супутник Нептуна, Трітон.
Подібності вражаючі. Їхні щільності практично ідентичні. Їхні склади вказують на те, що обидва об’єкти сформувалися з одного і того ж первинного матеріалу в холодних регіонах ранньої Сонячної системи. Це передбачає загальне походження. Ймовірно, вони не починали своє життя як планети, а як незалежні об’єкти, що потрапили до гравітаційної мережі більшого гіганта.
Якщо Плуто по суті є супутником, що втік, чому він обертається навколо Сонця безпосередньо? Відповідь криється у його хаотичній історії. Тритон обертається навколо Нептуна у напрямку, протилежному до обертання планети. Це захоплений об’єкт. Шахрая могла випробувати подібну долю, або він може бути частиною популяції об’єктів пояса Койпера, розсіяних мандрівними гігантськими планетами.
Числа не брешуть
Ви можете побачити розрив у даних. Шахрайство — це не кам’янистий світ, як Марс. Це не газовий велетень, як Юпітер.
- Середня відстань від Сонця: 5 910 000 000 км (39,5 а.о.)
Радіус: 1 185 км (менше, ніж у Місяця Землі) - Середня щільність: Близько 2 г/см³ (вказує на суміш каменю та льоду)
- Період обертання: 6,3873 земних дня (ретроградний)
- Середня температура поверхні: 40 К (-387 °F / -233 °C)
Ця низька щільність – незаперечний доказ. Чисто кам’янисте тіло було б набагато щільніше. Шахрая – це суміш. Він містить достатньо льоду, щоб надати йому плавучості, і достатньо каменю, щоб зробити його твердим.
Нахилене існування
Орбіта Плуто також дивна. Вона не знаходиться в площині екліптики, як вісім основних планет.
- Ексцентриситет: 0,251 (сильно витягнутий еліпс)
- Нахилення: 17,1° щодо екліптики
Хоча його орбіта перетинає орбіту Нептуна, ці дві планети будь-коли стикалися через орбітального резонансу. Але нахил більш показовий. Екватор Плуто нахилений на 120 ° до його орбіти. Він котиться на боці, рухаючись довкола Сонця. Цей екстремальний нахил призводить до того, що сезони тривають десятиліттями, і різні полюси зазнають впливу сонця протягом сотень земних років.
Слабке дихання повітря
for
Вчені мали невиразне уявлення про атмосферу Плутона задовго до того, як змогли її довести. Відкриття метанового льоду на поверхні Плутона в 1970-х роках дало вченим ранню впевненість у тому, що ця карликова планета не просто мертва скеля. Це свідчило, що тіло здатне утримувати щось нестабільне. Але чи довести існування цієї атмосфери? На це довелося чекати. Прямі спостереження стали можливі лише наступного десятиліття.
Цей прорив стався 1988 року. Ні лінзи телескопа, ні нові датчики не виконали всю важку роботу. Тут спрацювала геометрія. Проходження Плутона прямо перед далекою зіркою – це явище, відоме як затемнення (окультація). Спостерігачі Землі спостерігали за світінням зірки. Воно не зникло швидко. Натомість світло поступово слабшало і, нарешті, зникало за силуетом. Повільне згасання стало незаперечним доказом. Воно продемонструвало наявність тонкої, сильно розтягнутої атмосфери, що фільтрує світло зірки.
Фізика тут жорстока. Атмосфера Плутона повинна складатися з пари, яка перебуває в рівновазі з льодом, що робить цю систему надзвичайно крихкою. Невеликі зміни температури зміщують повітряні маси. Це може спричинити великі коливання рівня газу. Атмосфера насправді є двигуном фазового переходу. Твердий лід перетворюється на газ. Газ осідає назад і перетворюється на лід. Це перемикач, а чи не регулятор.
Карликова планета знаходилася поблизу перигелія Плутона в 1989 році і була трохи менш холодною, ніж у середньому. Ця невелика зміна важлива. Більше замерзлого газу випарувалося. Атмосфера розширилася і досягла своєї найтовстішої стадії. Це робить цей період добрим часом для дослідження тіла. Якщо ви хочете побачити повітря Плутона, потрібно зловити його у той момент, коли Плутон намагається затримати дихання.
Перенесемося на рік 2000. Астрономи оцінили поверхневий тиск у діапазоні від кількох мікробарів до десятків мікробарів. Для порівняння: 1 мікробар відповідає одній мільйонній частині тиску на рівні моря Землі. За земними стандартами це вакуум. Шепіт повітря.
Але тоді Плутон був набагато ближче до Сонця. Афелій, де карликова планета знаходиться далі і отримує найменшу кількість сонячного світла, холодний. Газ замерзає та повертається на поверхню. Вдалині, в Поясі Койпера, атмосфера Плутона може взагалі виявлятися. Вона колапсує. Вона зникає у льоду.
Атмосфера – не постійна особливість. Це сезонний пульс. Приплив. Дихай, коли сонце наближається. Затримуй дихання, коли сонце відступає. Ми бачимо її лише тоді, коли Плутон знаходить сміливість відпустити її.
Що знаходиться там, де нічого немає?
Плутон переважно дихає азотом. Ми знаємо це завдяки наземним спостереженням за зоряним світлом, яке проходить за карликовою планетою під час затемнення. Але “Нові горизонти” зробили більше, ніж просто перевірили базові дані. Давайте заглянемо глибше. Детектори виявили в суміші метан та чадний газ. З’явився також ціаністий водень. Його кількість невелика, але вона має велике значення. Азот не є унікальним для Плутона. Їм дихає Земля. Найбільший супутник Сатурна, Титан, оповитий ним. Також він має супутника Нептуна — Тритона. У зовнішній Сонячній системі холодна, багата на азотом миля здається нормою.
Проте цифри розповідають іншу історію про вразливість. Тиск на поверхні становить лише 10 мікробар. Тонкий. Бумаготонка. Космічний апарат також зафіксував наявність ацетилену, етилену та етану. Нові з’єднання. У темряві протікають нові хімічні реакції.
Температура біля поверхні? 45 Кельвінів. Це мінус 228 градусів за Цельсієм або мінус 379 градусів за Фаренгейтом. Так холодно, що більшість речовин замерзає. Проте атмосфера не колапсує. Вона розтягується.
Небо, яке відмовляється закінчуватися
Шар туману видно на висоті 200 кілометрів. 120 миль повітряних частинок. Але найдивовижніше це те, наскільки далеко простягається атмосфера. Вона піднімається нагору на 1800 кілометрів. 1100 миль над поверхнею. Хоча планета настільки мала, вона величезна.
Чому вона не зникає? Верхні шари атмосфери ще досить холодні. Холодні молекули азоту рухаються повільно. Вони не мають швидкості, щоб подолати слабку гравітацію Плутона. Тому повітря залишається дома. Він висить там, розтягнутий і тонкий, суперечить очікуванням того, що можна очікувати від маленького холодного небесного тіла.
Поверхня та надра
“Нові горизонти” пощастило. Або, можливо, вам не пощастило, залежно від того, як ви дивитеся на ймовірність. Коли апарат пролітав повз Плутон, він побачив тільки одну півкулю. Є лише одна проблема. Ця сторона досить складна, щоб переписати все, що ми думали знати про карликові планети.
Томбо Регно домінує у цьому зображенні. Білий плато у формі серця настільки вражає, що стало найзнаковішим знімком місії. Але уважно подивіться західну частку серця. Супутник Планітія. Басейн із м’якого азотного льоду.
Нульові ударні кратери.
Ця відсутність – не порожній простір. Це є доказ. Кратери – це шрами, залишені космічними зіткненнями, що тривали мільярди років. Їхня гладкість означала, що щось стерло їх нещодавно. Геологічна активність. Плутон – не мертва скеля. Він живе своїм власним крижаним способом.
Цей ідеальний басейн оточений грубими місцевостями. Гори піднялися з землі і виглядали гострими та інопланетними. Вони не виготовлені з каменю, як гори Землі. Це водяний лід. Твердий, древній водяний лід плаває в океані м’якшого азотного льоду. Це геологічне протиріччя, яке має ідеальний сенс у замороженому вакуумі пояса Койпера.
Потім з’являються темні плями.
Подивіться на північ. Чим вища широта, тим темніший колір. Рівнини тіні. Але справжня контрастна відмінність перебуває у заході. Ктулху Регно. Спочатку названий “китом” через свою форму, тепер він названий на честь Космічного жаху Г.Ф. Лавкрафт. Це найтемніша область Плутона. Це ковдра з рівнин, крутих схилів, гір і кратерів.
Чому вона така темна? Органічні сполуки. Толи. Коли прості вуглеводні зазнають впливу сонячного світла або радіації, утворюються складні молекули. Вони фарбують лід. Вони надають області глибокого червоно-коричневого відтінку.
Це не просто питання кольору. Вся справа у відображенні. Альбедо. У Плутона середнє альбедо 0,72. Відображає 55% світла. Порівняйте це з Місяцем – 0,1. Для Трітона це 0,8. Плутон яскравий.
Однак це середнє значення приховує істину. Діапазон дуже широкий. Відбивна спроможність регіону Ктулху становить лише 0,1–0,2. Поглинає більшу частину світу. Томбо Регно? Відображає 0,8-1,0. Це майже дзеркало.
Це більше, ніж просто гарне фото. Це запис часу. Діяльність. Хімія. Ми подивилися на один бік. Інша сторона залишається загадкою, прихованою у темряві, чекаючи місії, яка ніколи не відбудеться. Або, можливо, просто знання того, що ми побачили, достатньо.
Що стало на Плутоні?
Історія поверхні Плутона починається з хаотичного першого погляду. У 1976 році астрономи провели перші грубі інфрачервоні спектроскопічні виміри. Хоча дані були неоднозначними, вони вказували на незаперечний факт: на поверхні є твердий метан. Це не було здогадом. Це було виявлення.
Переходимо на початок 1990-х років. Наземні інструменти були покращені настільки, що дозволили усунути вплив атмосферних перешкод. Картинка стала зрозумілішою. Спостерігачі виявили не лише метан. Вони помітили водяну кригу. Вони виявили монооксид вуглецю. Далі була молекула азоту.
Виявлення азоту – це кошмар. Його спектральні властивості у природі слабкі. Він ховається на увазі і відмовляється заявляти про свою присутність. Але дані зрештою виявили сигнал. Азот – це не просто слідовий елемент. Це основна речовина, що покриває поверхню.
Метан не існує поодинці. Він присутній у двох різних формах. Іноді утворюється чистий метановий лід. Він також може замерзати як розчину в азотному льоду. Це суміш. Змерзла суміш. Поверхня є складною мозаїкою з цих летких льодів, в основному азотних, але пофарбованих метаном.
Хоча спектральний сигнатур азоту спочатку дуже слабкий, тепер зрозуміло, що це речовина має бути основним компонентом поверхні.
Ця комбінація є важливою. Азотний лід домінує, тому що він є найпоширенішою летючою речовиною на карликовій планеті. Метан поєднується, утворюючи замерзлий «розчин». Водяний лід застряг на великих глибинах, де може бути занадто холодно для його переміщення. Монооксид вуглецю співіснує з азотом, але у невеликих кількостях.
Дослідження 1976 року відчинило двері. Інструменти 90-х років пройшли через неї. Реальність виявилася холоднішою та складнішою, ніж передбачали ранні моделі. Поверхня змінюється. Згодом крига сублімується і знову осідає. Але основна структура залишається, і азотний лід, змішаний із метаном, покриває решту світу.
Подивіться на цифри. Щільність Плутона становить 1,85 г на кубічний сантиметр. У Харона вона легша – 1,7. Ця різниця важлива. Це більше ніж просто статистика. Вона говорить про те, із чого складаються ці мертві світи.
Обидва об’єкти заповнені речовиною, яка щільніша за водяний лід. Лід плаває. Гірські породи та органічні сполуки тонуть. Висока щільність Плутона свідчить про те, що його внутрішня частина є величезний кам’яний масив. Харон схожий, але трохи легший. Можливо, він пористіший. Можливо, в ньому менше каміння. Я не певен. Проте математично це демонструє загальне походження.
Згадаймо крижані супутники Юпітера. Супутники Сатурна. Щільність Плутона потрапляє у потрібну точку. Кам’яне ядро у центрі. Його оточує товстий шар замерзлої води. Це стандартна модель для малих об’єктів Сонячної системи. Але Плутон має свій хитрий трюк.
Таємниця темної сторони
Спостереження за поверхнею виявили замерзлий азот, чадний газ та метан. Це леткі речовини. Вони сублімуються. Якщо не підтримувати холод, вони зникнуть у тонкому повітрі. Тут вони утворюють тонку кірку. Вона подібна до земних океанів: тонка, плаваюча, важка.
Далі йде Супутник Плато (Sputnik Planitia).
Це величезний басейн. Кратер. Він утворився внаслідок зіткнення мільярди років тому. Принаймні так говорить поверхня. Але розташування викликає запитання. Це невипадково. Басейн знаходиться на припливній осі. Точно навпроти Харона.
Чому це важливо?
Якщо ударний басейн знаходиться на звороті захопленого об’єкта, він не повинен там залишатися. Приливні сили б переорієнтували планету. Важкі елементи тонуть. Чим легше об’єкт, тим більше він плаває. Якщо тільки щось не існує. Тяжкі речі.
Розташування Супутника Плато потребує додаткової маси під ним.
Басейн – це порожнеча. Він має бути легким. Але він закріплений. З іншого боку знаходиться місяць. Це має на увазі наявність підповерхневого океану. Рідка вода знаходиться над кам’яним ядром. Під крижаною кіркою.
Рідкий шар діє як баласт. Він зміщує центр мас. Він притягує басейн до вирівнювання. Море – це не просто геологічна особливість. Це стабілізатор.
Які місяці мають підповерхневі океани?
Ми знаємо, що він має Європу. Те саме стосується Енцеладу. Ганімед? Можливо. А що щодо Плутона? Він уже так далеко. Темний. Холодний. Там Сонце — лише яскрава зірка. Як утримати його досить гарячим, щоб зберегти рідину всередині?
Радіоактивний розпад. Ядро з гірських порід містить радіоактивні ізотопи. Вони розпадаються. Вони виділяють тепло. Згодом. Повільно. Достатньо, щоб підтримувати теплим кордон між каменем та льодом. Достатньо, щоб розплавити нижню частину крижаної кірки.
Харон може не мати такої розкоші. Низька щільність означає менше каміння. Буде менше радіоактивних матеріалів. Менше тепла. Моря нема. Тільки замерзлі камені та лід.
Чому Плутон має океан?
Нагрів від удару? Тепло ранньої акреції? Чи радіоактивна енергія вивільняється поступово?
Наявність моря змінила все. Це означає, що Плутон – це не просто шматок льоду та бруду. Він дуже активний. Диференціація. Шаруватість. Камінь потонув. Лід плаває. Вода стала рідкою.
Це стосується не лише Плутона. Це стосується Пояса Койпера. Скільки із цих карликових планет мають приховані океани? Скільки
Харон це більше, ніж просто супутник. Маючи половину розміру свого «батька», він є гігантським компаньйоном, який керує цією системою. Більшість супутників у Сонячній системі – лише аксесуари. Харон же – партнер.
Ці два об’єкти обертаються навколо загального центру мас на відстані близько 12200 миль (19640 км) один від одного у відкритому просторі між ними. Це приблизно 8 діаметрів Плутона. Подумайте про масштаб.
Порівняйте це із Землею та Місяцем. Наш Місяць трохи більше чверті розміру Землі. Відстань від Землі до Місяця становить близько 30 діаметрів Землі. Плутон та Харон розташовані дуже близько один до одного. Вони захоплені гравітаційними обіймами, які визначає все їх існування.
Ця близькість створює дивне тихе небо. Орбітальний період Харона такий самий, як орбітальний період Плутона. Вони припливно пов’язані. Результатом цього є небесний потиск рук, який ніколи не змінюється.
Якби ви стояли на півкулі Плутона, зверненому до Харона, ви ніколи не побачили б, як він сходить чи заходить. Він висить в одній точці неба вдень і вночі. Це нерухома точка в темряві, подібно до геостаціонарного супутника на Землі.
Харон повністю невидимий з протилежного боку Плутона. Він назавжди прихований кривизною планети.
Особа, застигла в часі
Справа не лише в розташуванні. Харон також обертається в унісон. Він завжди показує Плутону той самий бік.
Це подвійне блокування. Особи обох тіл звернені одне до одного. Їхнє обертання та орбітальний рух повністю і безшовно синхронізовані.
Чому це важливо? Це визначає теплову та геологічну історію обох світів. Сторона Харона, звернена до Плутона, завжди відчуває інший потік сонячного вітру та радіації, ніж протилежний бік. Це формувало склад поверхні Харона протягом мільярдів років.
Харон не можна розглядати як пасивний камінь. Він є активним учасником складної та жорстко пов’язаної системи. Відсутність обертання щодо Плутон означає стабільний температурний градієнт. Стабільний градієнт означає стабільні геологічні процеси.
Ми ще вивчаємо, які саме це процеси. “Нові горизонти” дали нам знімок. Однак довгострокові наслідки цього бінарного зв’язку залишаються загадкою, яку ми лише починаємо розгадувати.
Чи відчувається Місяць, що ніколи не рухається, на небі як супутник або як в’язень? Відповідь залежить від того, чи хочете ви втекти чи залишитися.
Харон не має яскравого характеру Плутона. Він тьмяний. Його альбедо коливається близько 0,25, що робить його менш відбивним, ніж сама карликова планета. Колір нейтральний. Майже монотонний. Але давайте розглянемо спектр ближче.
Водяний лід покриває поверхню. Це найважливіший інгредієнт. Тут немає твердого метану. Сусід Плутона покритий яскраво-червоним? Повністю зник. Натомість сліди аміаку виявляються глибоко всередині деяких ударних кратерів.
Щільність розповідає глибшу історію. Харон досить щільний, щоб містити силікати та органічні сполуки. Щось важче за водяний лід. Щось, що давно осіло в ядро. Це означає внутрішню будову, яка не схожа ні на що іншу. Місяць має шари.
Інший бік великого місяця
Харон не самотній. Але це головне. Інші чотири місяці, Стікс, Нікс, Кербер і Гідра, здаються маленькими порівняно з ним. Вони витягнуті. Кімкуваті. Неправильна форма.
Їхня орбіта далеко від орбіти Харона. Відстань вражає.
Гідра знаходиться приблизно за 64 721 кілометри.
Кербер наближається до 57 750 кілометрів.
Орбіта Нікса знаходиться на відстані 48690 кілометрів.
Стікс – найвнутрішній з малих місяців на відстані 42413 км.
Їхні орбіти приблизно кругові. Харон також. Вони поділяють ту саму площину орбіти. Це пласка система. Впорядкована.
Відображення та обертання
Наскільки яскраві ці маленькі камені? Стікс, Нікс і Кербер відбивають світло так само, як Харон. Гідра яскравіша. Більш відбиває.
Харон зафіксовано у синхронному обертанні. Його обертання збігається з його орбітою. Одна сторона завжди звернена до Плутона. Малі місяці? Час їхнього циклу – загадка. Насправді це заплутано.
Стікс та Кербер падають. Їхні радіальні розміри сильно різняться. Стікс варіюється від 10 до 25 кілометрів. Кербер має довжину від 13 до 34 км. Нікс та Гідра ще більше, з радіусами близько 44 км та 36 км відповідно.
Назва | Середня відстань (км) | Орбітальний період (дні) | Схильність (градуси) | Ексцентриситет | Орбітальний період (дні) | Радіус (км) |
:— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| Харон | 17 536 | 6,387 | 0 | 0,0022 | 0,0022 | Сінхр. | 604 | 15 | 1,63 | 1,63
| Стікс | 42 000 | 20,2 | 20,2 | | | 10-25 | 10-25 | |
| Нікс | 48 708 | 24,86 | 0,195 | 0,003 | 0,003 | 44 | 0,0058 | 0,0058 |
| Кербер | 59 000 | 32,1 | 32,1 | | | 13–34 | | |
| Гідра |
Хаотичний танець місяця Плутона
Орбітальна механіка довкола Плутона складна. Харон керує танцполом. На кожен повний оборот Харона Гідра робить лише близько однієї шостої своєї орбіти. Кербер проходить приблизно п’яту частину свого шляху. Нікс – близько чверті від загальної відстані. Стікс – третина.
Це не випадковість. Співвідношення орбіт Гідри, Кербера, Нікса та Стікса складає рівно 6:5:4:3. Ці співвідношення, засновані на невеликих цілих числах, вказують існування стабільних динамічних резонансів. П’ять тіл регулярно проходять повз одне одного. Гравітація тягне та штовхає, щоб підтримувати регулярність зустрічей. Це тендітний баланс.
Однак поле постійно змінюється. Плутон і Харон обертаються навколо загального центру мас, створюючи гравітаційний ландшафт, що постійно змінюється. Результат? Хаос. Нікс та Гідра обертаються хаотично. Їхні полюси міняються місцями. Це не стабільне обертання.
На відміну від більшості супутників Сонячної системи, чотири малі місяці Плутона не обертаються синхронно. Період їхнього обертання не фіксований відповідно до орбітального періоду. Гідра обертається швидко, здійснюючи повний оборот лише за 0,4295 діб. Кербер обертається повільно, витрачаючи 5,31 діб однією оборот.
Відкриття планети випадково
Коли Плутон було відкрито, його вважали дев’ятою планетою. Разом з Ураном і Нептуном він є третьою відкритою планетою після стародавніх світів, які видно неозброєним оком. Логіка здається розумною. Астрономи з кінця ХІХ століття припускали існування дев’ятого об’єкта.
Вони спостерігали Уран. Помітні значні обурення у його орбітальному русі. Математика підказувала, що віддаленіші об’єкти викликають гравітаційні обурення. Пошук продовжувався.
Виявилося, що ці припущення були хибними. Маса Плутона надто мала. Його гравітація недостатньо сильна, щоб викликати ймовірні обурення в орбіті Урана. Це відкриття стало дивовижним збігом. Не було точним прогнозом гіпотетичної планети, а скоріш результатом ретельних спостережень.
Пошуки очолювала обсерваторія Лоуелла у Флагстаффі, штат Арізона. Засновник Персіваль Лоуелл ініціював цей рух. Він отримав популярність завдяки своїм публічним заявам про те, що на Марсі є канали. До своєї смерті в 1916 пошук продовжувався, незважаючи на дві невдалі спроби знайти планету.
У 1929 році було введено спеціально побудовану для цієї мети астрономічну камеру. Вона збирає світло з обшитної ділянки неба. Клайд Томбо, молодий астроном-аматор, був найнятий для вивчення неба.
18 лютого 1930 року він відкрив Плутон. Минуло менше року від початку роботи. Він виявив його у сузір’ї Близнюків.
Об’єкт виглядав як слабка «зірка» 15-ї зіркової величини. Він повільно рухався на тлі нерухомих зірок. Йому потрібно 248 років, щоб зробити повний оберт навколо Сонця.
Лоуелл та його колеги передбачали більші та яскравіші об’єкти. Те, що знайшов Томбо, мало. Однак Плутон незабаром був ідентифікований як очікувана дев’ята планета. Символ ♇, розроблений для цієї мети, є першими двома літерами назви «Pluto» та ініціали Персіваля Лоуелла.
Історія Харона почалася не з телескопа і не з прольоту повз планету. Все почалося з розмитого знімку, зробленого в обсерваторії ВМС США у Флагстаффі. Місце має значення. Обсерваторія знаходиться менш ніж за 6 кілометрів від того місця, де кілька десятиліть тому було відкрито Плутон — коротку відстань, але з величезною історичною вагою.
Джеймс У. Крісті та Роберт С. Харрінгтон стоять за камерою. Їхні цілі були звичайними, але важливими. Потрібна була більш точна інформація про орбіту Плутона. Вони прагнули точності. Вони шукали невеликі зміни та крихітні коливання, які можуть виявити гравітаційні аномалії чи помилки вимірів у існуючих моделях.
Натомість вони виявили привид.
1978 року Крісті помітив дивне явище, переглядаючи фотопластинки. На одному знімку виднілася слабка опукла пляма на краю Плутона. На другому знімку з одного боку спостерігалася грудочка. Це не вина плівки. Це не космічні промені. То справді був супутник.
Це нове небесне тіло, Місяць, ховалося на очах. Воно було невеликим. Воно було темним. Але воно існувало.
Чому міфологія менш важлива, ніж механіка
Ми знаємо місяць як Харон, названий на честь перевізника душ у підземний світ. Цей міф добре підходить для темного та далекого світу. Проте ця міфологія не пояснює фізики.
Це відкриття змусило астрономів переглянути погляд Плутон. До Харона Плутон сприймався як самотня карликова планета, одинока точка Поясі Койпера. Після відкриття Харона він став частиною системи.
Подумайте, яку різницю це робить.
Як тільки ми довідалися про існування місяця, ми змогли виміряти масу системи. Можна було розрахувати густину. Зрозуміти динаміку. Без Харона маса Плутона була б просто здогадом. З Хароном вона стала розрахунком.
Його вплив також поширюється назовні.
- Маса Плутона значно зменшилась.
- Щільність вказує на те, що більша частина Плутона складається з льоду, а не каменю.
- Орбітальний період пари виявив припливне блокування.
Припливне блокування: танець, а не орбіта
Ось дивна частина. Харон не просто обертається навколо Плутона. Плутон просто не обертається. Заблоковано.
Вони приливної блокуються один щодо одного. Це означає, що Харон залишатиметься на тому самому місці в небі Плутона. Плутон залишається у тій позиції в небі Харона. Це бінарні відносини у справжньому значенні. Обертання обох об’єктів щодо один одного не змінює їх обличчя.
Якби ви стояли на поверхні Плутона, дивлячись на Харон, місяць був би зафіксований у небі. Вона ніколи не сходить. Вона ніколи не заходить. Вона б просто висіла там, постійна присутність.
Це блокування відбувається через гравітацію. У минулому приливні сили сповільнили обертання Плутона, доки воно не збіглося з орбітальним періодом Харона. Це загальна доля місяців у нашій Сонячній системі, але спостереження цього на краю відомого світу відчувалося інакше. Це робить зовнішню систему більш інтимною. Більш пов’язаною.
Чому це важливо зараз?
Ви можете поставити запитання, чому супутник, відкритий в 1978 році, важливий сьогодні.
Це важливо, тому що Харон є ключем до Плутона.
Без Харона ми могли б вважати Плутон невдалою планетою, космічною помилкою. Ми могли проґавити
Перш ніж ми дізналися про Харона, Плутон був загадкою, оповитою туманом спекуляцій. Він здавався масивнішим. Однак ці два числа не можна виміряти безпосередньо. Ви не можете просто зважити камінь, що плаває за 3,7 мільярда миль від нас. Потрібно робити припущення. І наші припущення були хибними.
Навіть на першому зображенні, що показує Харон, він не виглядає очевидною кулею. Це був лише горбок. З одного боку Плутона спостерігалося невелике випинання. Це свідчить про дві речі: ці об’єкти знаходяться дуже близько один до одного і дуже далеко від Землі. Потім виникла проблема із атмосферою. Земна атмосфера приховувала все, спотворювала світло і розмивала чіткі краї.
Ця проблема була вирішена лише наприкінці 1990-х років.
Прибув космічний телескоп “Хаббл”. Наземні інструменти оснащені адаптивною оптикою. Ці системи реально компенсують атмосферну турбулентність. Раптом розмитість зникла. Плутон та Харон стали окремими тілами. Чи не двома горбками. Двома світами.
Пошук інших членів групи
Харон – не єдиний супутник. Але пошук інших потребує іншого терпіння.
2005 року команда з дев’яти астрономів вивчала пітьму, використовуючи зображення «Хаббла». Вони шукали об’єкти діаметром лише 25 кілометрів. Вони виявили Гідру та Ніку. Маленькі. Крихітні. Їх важко помітити.
Але вони не зупинилися на нових знімках. Вони глибоко проаналізували архівні дані. Зокрема, зображення «Хаббла» 2002 використовувалося для картографування поверхні. Там виявилося ще два об’єкти, тьмяні, але чітко видимі. Вони рухалися. Це відповідало орбітальним шляхам, розрахованим на основі даних 2005 року. Доказ.
Цей патерн повторювався.
2011 року шість астрономів виявили Кербер у зображеннях «Хаббла». Вони знову перевірили. Сліди видно на знімках 2006 та 2010 років. Це лише невелика пляма. Але воно там є.
Далі пішла Стікс. Вона також була виявлена «Хабблом» у 2012 році.
В даний час нам відомо, що Плутон має п’ять супутників. Харон. Гідра. Ніка. Кербер. Стікс. Потрібно просіювати шум, щоб знайти кожний сигнал.
Звідки вони взялися?
Переважала до відкриття Харона теорія була божевільною.
Плутон – супутник Нептуна. Так думали люди. Він утік. Як? В результаті близького encounters — гравітаційного поштовху, який виштовхнув Плутон із системи Нептуна. Це пояснює ретроградну орбіту Трітона.
Логіка здається розумною. Плутон та Тритон приблизно одного розміру. Плутон здійснює один оберт навколо своєї осі за 6,4 дні. Тритону потрібно 5,9 дня, щоб зробити один оберт навколо Нептуна. Це число надто близько, щоб його ігнорувати.
Проте математика не сходиться.
Переглянута маса Плутона становить лише половину маси Трітон. Половину. Її недостатньо, щоб навернути орбіту Тритона. Сили замало. Теорія втечі померла там.
Потім є розмір Харона. У Плутона є місяць, який непропорційно великий. Якщо Плутон втік від Нептуна, то чому він узяв із собою такого великого супутника? Це робить сценарій втечі малоймовірним.
Сучасна модель чистіша. Жорстока, але більш логічна.
Плутон і Харон сформувалися незалежно від сонячної туманності. Газопилової хмари, яка конденсувалася, утворюючи нашу Сонячну систему. Вони зіткнулися. Прото-Харон зіткнувся з Плутоном. Зіткнення створило кільце уламків. Ця каблучка акрекувала. Гравітація притягувала пилюку. Так сформувався Харон.
Та сама історія з місячним супутником Землі. Об’єкт розміром із Марс врізався у Землю. Уламки утворили кільце. Місяць сколапсував у єдине ціле.
Подивіться на хімію. Місяць має високе температурне походження, тому в ньому відсутні леткі елементи. На Хароні немає метану. Плутон та Харон мають відносно високу щільність. Це зіткнення пояснює обидва факти. Тепло витіснило леткі речовини. Щільність залишилася незмінною.
Походження малих супутників
А як щодо Гідри, Нікси, Кербера та Стіксу?
Деякі астрономи вважають, що вони народились незалежно. Пізніше їх захопили. Їхнє походження по-різному. Різні типи «вантажівок».
Але небесна механіка говорить про інше.
Чотири малі супутники мають кругові орбіти в одній площині. Вони обертаються на одній площині. Вони мають загальний динамічний резонансний зв’язок. Це не випадкове захоплення. Це – родина.
Зіткнення з Хароном вивільнило достатньо уламків, щоб сформувати решту. Матеріал з його кільця акрецував на всі три місяці. Мабуть, на більше. Їх просто не знайшли.
Це вказує на щось із ранньої Сонячної системи.
Близько 4,6 мільярда років тому зовнішню туманність було переповнено. Там було багато крижаних тіл. Такого ж розміру, як Плутон та Харон. Вони були унікальні. Вони складалися з дрібніших об’єктів. Сьогодні ми називаємо ці об’єкти ядрами комет.
Тритон, ймовірно, один із тих гігантських крижаних планетезималей. Захоплений Нептуном у ранній історії. Хірон, що обертається між Сатурном та Ураном, — ще один приклад. Ядро гігантської комети. Це зменшена версія сатурніанського супутника Феби.
Ми шукаємо тих, хто вижив. Уламки. Залишки Епохи Хаотичного Формування. Система Плутона – не аномалія. Це знімок структури зовнішньої Сонячної системи.
Ми все ще вчимося читати. Тьмяні сліди старих даних «Хаббла» нагадують нам, що Всесвіт приховує деталі, доки ми не готові їх побачити. Або поки що не створимо правильні інструменти.
Пояс Койпера та хмара Оорта
Більшість крижаних планетезималей поглинаються гігантськими планетами у процесі формування. Але це все.
Багато об’єктів залишилися на місці. Вони стали розрізненими елементами пояса Койпера. Це товстий плаский диск, розташований за орбітою Нептуна. Він лежить у площині Сонячної системи. Зокрема він включає зовнішню частину орбіти Плутона.
Мільярди інших об’єктів були розсіяні поза його межами. Це сталося під час формування Урану та Нептуна. Ймовірно, вони утворюють хмару Оорта – гігантську сферичну оболонку, розташовану з відривом близько 50 000 астрономічних одиниць.
На початку 1990-х років астрономи виявили понад 1000 об’єктів поясу Койпера (ОПК). Висновок очевидний: Плутон і Харон лише великі члени цього поясу. Об’єкти, такі як Хірон та супутник Нептуна Трітон, можливо, походять від об’єктів пояса Койпера. Те саме вірно для багатьох інших крижаних супутників.
Розглянемо їх орбіти. Деякі об’єкти пояса Койпера мають дуже витягнуті еліптичні орбіти. Вони нахилені до поверхні Сонячної системи. Вони мають спільні риси з Плутон: стабільне орбітальне резонансне співвідношення 3:2 з Нептуном. Астрономи назвали їх плутінoамі (Plutinos). Маленькі путони.
Чому статус Плутона як планети змінився
Перш ніж Плутон позбавили статусу планети, не було суворого визначення. Астрономи ще не домовилися про мінімальну масу, радіус або механізм походження.
Старий поділ був інтуїтивним. Великі небесні тіла – це планети. Найменші – астероїди та комети. Місяць щось інше. Такий підхід працює, якщо відмінності здаються суттєвими. Він працює, коли малі об’єкти ледве сприймаються як будівельні блоки для інших.
Це раннє та фрагментарне уявлення. Подібно до притчі про сліпих і слона: кожен обмацує різні частини тіла. Кожен розпізнає різні об’єкти.
Пізніше ми усвідомили, що початкове угруповання виявилося неспроможним. Складові Сонячної системи необхідно перекласифікувати. Для цього потрібні складні та взаємопов’язані визначення.
Коли Плутон був уперше виявлений, астрономи вважали його поодиноким мандрівником. Це почуття ізоляції виправдовувало його місце у Клубі планет внутрішньої частини Сонячної системи. Якби він був виявлений пізніше і оточений об’єктами пояса Койпера, ніхто не назвав би його планетою.
Десятиліттями розмір у відсутності значення. Крижаний склад не допомагав. Дивна орбіта також сприяла визнанню. Деякі експерти постійно ставили під сумнів його статус. Потім настало XXI століття.
Еріда змінює математику
Астрономи почали виявляти інші об’єкти пояса Койпера. Об’єкти розміром із Харон стали звичайним явищем. З’явилася Еріда.
Еріда трохи більше за Плутона.
Раптом Плутон перестав бути особливим. Він став просто одним із багатьох. Астрономи зіткнулися з вибором: додати планети до списку або виключити Плутон. Міжнародний астрономічний союз (МАС) вибрав другий шлях у 2006 році. Вони також створили нову категорію: карликові планети.
Ця категорія включає великі об’єкти зі схожим походженням та орбітами. Мітку карликової планети отримали Плутон, Еріда та Церера. Церера знаходиться у поясі астероїдів. Її діаметр складає близько 940 км.
Визначення шахраїв
Ще одне оновлення було зроблено у червні 2008 року. Міжнародна астрономічна спілка класифікує карликові планети на кілька підкатегорій. Вони додали термін «плутоніди».
Плутон – це карликова планета, що знаходиться далі від Сонця, ніж Нептун. По суті це великий об’єкт пояса Койпера.
Плутон є плутоідом. Еріда також є плутоідом. Церера відрізняється. Вона знаходиться в поясі астероїдів надто близько до Сонця.
З того часу список шахраїв стає все довшим. До них приєдналися Макемаке та Хаумеа. Обидва є карликовими планетами. Обидва є плутоїдами.