Плутон когда-то был далёкой аномалией в нашей Солнечной системе. На протяжении десятилетий он считался девятой планетой. Всё изменилось в августе 2006 года. Международный астрономический союз (МАС) лишил Плутон статуса планеты. Его переклассифицировали как карликовую планету. Это решение не было произвольным. Оно отражает растущее понимание того, чем на самом деле является Плутон. Это крупный объект пояса Койпера. Этот регион представляет собой кольцо из льда и каменистых обломков, оставшихся после формирования Солнечной системы. Он находится за орбитой Нептуна.
Международный астрономический союз придерживается жёсткой позиции. Планеты должны «очистить» своё орбитальное пространство от других крупных тел. Плутон делит свою орбиту с бесчисленным множеством других объектов пояса Койпера. Именно поэтому он не проходит этот тест. Это изменение в классификации подчёркивает разницу между карликовыми и большими планетами. Речь идёт о контроле над орбитой. Плутон важен. Но он не является «королём» своей области.
Двойная система во тьме
Плутон невидим невооружённым глазом. Он слишком далёк. Он слишком мал. Он слишком тускл. Его крупнейший спутник, Харон, полностью меняет эту динамику. Харон огромен по сравнению с Плутоном. Из-за близости их размеров учёные часто рассматривают их как двойную систему. Два объекта вращаются вокруг общего центра масс. Символ Плутона — ♇. Это дань уважения римскому богу подземного царства. Его греческий аналог — Аид. Имя идеально подходит. Это холодное и тёмное место.
Свет распространяется очень быстро. Около 300 000 километров в секунду. Однако солнечному свету требуется более пяти часов, чтобы достичь Плутона. Представьте Солнце как очень яркую звезду. Вот и всё. Интенсивность этого света составляет примерно 1/1600 от света, получаемого Землёй. Температура падает настолько, что обычные газы замерзают. Азот. Окись углерода. Они появляются на поверхности в виде твёрдого льда. Это мир, где воздух замёрз.
«Новые горизонты» прерывают молчание
Телескопы на Земле годами сталкивались с трудностями. Даже лучшие инструменты на орбите дают мало деталей. Основное остаётся непонятным. Каков радиус Плутона? Какова его масса? Числа размыты. На протяжении десятилетий мы узнавали больше о поверхности Марса, чем об этом далёком ледяном шаре.
Всё изменилось в июле 2015 года. Космический аппарат NASA «Новые горизонты» пролетел близко к Плутону и Харону. Это был первый раз в истории, когда удалось получить детальные снимки вблизи. Миссия ответила на важные вопросы. Она составила карту рельефа. Открылся сложный мир гор и равнин. До «Новых горизонтов» Плутон был просто размытым пикселем. Затем он стал реальной целью.
Странная орбита карликовой планеты
Орбита Плутона вокруг Солнца хаотична по сравнению с другими планетами. Среднее расстояние составляет около 5,9 миллиарда километров. Это 39,5 астрономических единиц (а.е.). 1 астрономическая единица — это расстояние между Землёй и Солнцем. Орбита Плутона вытянута. Астрономы называют это высокой эксцентриситетом. Она также наклонена на 17,1 градуса относительно плоскости эклиптики. Большинство планет остаются в плоской орбитальной системе. Плутон наклонён.
Этот эксцентриситет создаёт странные проблемы с близостью. Расстояние Плутона от Солнца варьируется от 29,7 а.е. (перигелий) в ближайшей точке до 49,5 а.е. (афелий) в самой дальней точке. Орбита Нептуна почти круговая, 30,1 а.е. В какой-то момент каждого обращения Плутон фактически пересекает орбиту Нептуна. Он оказывается ближе к Солнцу, чем Нептун.
Не вызывает ли это столкновение? Нет, гравитация предотвращает хаос здесь. Плутон и Нептун находятся в резонансе 3:2. Нептун совершает три оборота вокруг Солнца, в то время как Плутон совершает два оборота. Этот гравитационный танец не позволяет им сблизиться ближе чем на 17 а.е. Они проходят мимо безопасно. В последний раз Плутон достигал перигелия в 1989 году, и примерно в течение 10 лет до и после этого Плутон был восьмой планетой от Солнца.
Спящий на боку
Плутон вращается медленно. Период вращения составляет 6,3873 земных суток. Это был его сидерический день. Из крупных планет только Меркурий и Венера вращаются так медленно. Однако наклон оси Плутона экстремален. Его ось наклонена на 120 градусов от нормали к орбитальной плоскости.
Это означает, что Плутон вращается «на боку». Северный полюс указывает на 30 градусов ниже орбитальной плоскости. Северный полюс Земли наклонён вверх на 23,5 градуса. Ретроградное вращение Плутона ещё более странно. Он вращается в направлении, противоположном Солнцу и большинству планет. Если бы вы стояли на Плутоне, вы бы видели, как Солнце восходит на западе. Оно садится на востоке. День в подземном царстве — это запутанный опыт.
Плуто не вписывается.
Ни по размеру, ни по плотности, и тем более по физическому составу. По сравнению с другими планетами он является аномалией. Его радиус менее чем вдвое меньше, чем у Меркурия. Он составляет лишь около двух третей размера Луны Земли. Рядом с газовыми и ледяными гигантами внешней Солнечной системы — Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном — он выглядит как камень.
Но настоящая подсказка заключается не только в его малых размерах. Она в том, из чего он состоит.
Когда вы объединяете его маленький размер с низкой плотностью и составом, Плуто начинает выглядеть меньше как карликовая планета и больше как спутник. Более конкретно, он выглядит как большой ледяной спутник, вращающийся вокруг внешней гигантской звезды.
Аргументы в пользу спутникового происхождения
Ближайший двойник Плуто во всей Солнечной системе — это не другая планета. Это самый большой спутник Нептуна, Тритон.
Сходства поразительны. Их плотности практически идентичны. Их составы указывают на то, что оба объекта сформировались из одного и того же первичного материала в холодных регионах ранней Солнечной системы. Это предполагает общее происхождение. Вероятно, они не начинали свою жизнь как планеты, а как независимые объекты, попавшие в гравитационную сеть более крупного гиганта.
Если Плуто по сути является убежавшим спутником, почему он вращается вокруг Солнца напрямую? Ответ кроется в его хаотичной истории. Тритон вращается вокруг Нептуна в направлении, противоположном вращению планеты. Это захваченный объект. Плуто мог испытать подобную судьбу, или он может быть частью популяции объектов пояса Койпера, рассеянных странствующими гигантскими планетами.
Числа не лгут
Вы можете увидеть разрыв в данных. Плуто — это не каменистый мир, как Марс. Это не газовый гигант, как Юпитер.
- Среднее расстояние от Солнца: 5 910 000 000 км (39,5 а.е.)
- Радиус: 1 185 км (меньше, чем у Луны Земли)
- Средняя плотность: Около 2 г/см³ (указывает на смесь камня и льда)
- Период вращения: 6,3873 земных дня (ретроградный)
- Средняя температура поверхности: 40 К (-387 °F / -233 °C)
Эта низкая плотность — неопровержимое доказательство. Чисто каменистое тело было бы гораздо плотнее. Плуто — это смесь. Он содержит достаточно льда, чтобы придать ему плавучесть, и достаточно камня, чтобы сделать его твердым.
Наклоненное существование
Орбита Плуто также странная. Она не находится в плоскости эклиптики, как восемь основных планет.
- Эксцентриситет: 0,251 (сильно вытянутый эллипс)
- Наклонение: 17,1° относительно эклиптики
Хотя его орбита пересекает орбиту Нептуна, эти две планеты никогда не сталкивались из-за орбитального резонанса. Но наклон более показателен. Экватор Плуто наклонен на 120° к его орбите. Он катится на боку, двигаясь вокруг Солнца. Этот экстремальный наклон приводит к тому, что сезоны длятся десятилетиями, и разные полюсы подвергаются воздействию солнца на протяжении сотен земных лет.
Слабое дыхание воздуха
for
Учёные имели смутное представление об атмосфере Плутона задолго до того, как смогли её доказать. Открытие метанового льда на поверхности Плутона в 1970-х годах дало учёным раннюю уверенность в том, что эта карликовая планета — не просто мёртвая скала. Это свидетельствовало о том, что тело способно удерживать нечто нестабильное. Но доказать существование этой атмосферы? На это пришлось ждать. Прямые наблюдения стали возможны лишь в следующем десятилетии.
Этот прорыв произошёл в 1988 году. Ни линзы телескопа, ни новые датчики не проделали всю тяжёлую работу. Здесь сработала геометрия. Прохождение Плутона прямо перед далёкой звездой — это явление, известное как затмение (оккультация). Наблюдатели на Земле наблюдали за свечением звезды. Оно не исчезло быстро. Вместо этого свет постепенно ослабевал и, наконец, исчезал за силуэтом. Медленное затухание стало неопровержимым доказательством. Оно продемонстрировало наличие тонкой, сильно растянутой атмосферы, которая фильтрует свет звезды.
Физика здесь жестока. Атмосфера Плутона должна состоять из пара, находящегося в равновесии со льдом, что делает эту систему чрезвычайно хрупкой. Небольшие изменения температуры смещают воздушные массы. Это может вызывать крупные колебания уровня газа. Атмосфера по сути является двигателем фазового перехода. Твёрдый лёд превращается в газ. Газ оседает обратно и превращается в лёд. Это переключатель, а не регулятор.
Карликовая планета находилась вблизи перигелия Плутона в 1989 году и была немного менее холодной, чем в среднем. Это небольшое изменение важно. Больше замёрзшего газа испарилось. Атмосфера расширилась и достигла своей самой толстой стадии. Это делает данный период хорошим временем для исследования тела. Если вы хотите увидеть воздух Плутона, нужно поймать его в тот момент, когда Плутон пытается задержать дыхание.
Перенесёмся в год 2000. Астрономы оценили поверхностное давление в диапазоне от нескольких микробар до десятков микробар. Для сравнения: 1 микробар соответствует одной миллионной части давления на уровне моря на Земле. По земным стандартам это — вакуум. Шёпот воздуха.
Но тогда Плутон был гораздо ближе к Солнцу. Афелий, где карликовая планета находится дальше всего и получает наименьшее количество солнечного света, холоден. Газ замерзает и возвращается на поверхность. Вдали, в Поясе Койпера, атмосфера Плутона может вообще не обнаруживаться. Она коллапсирует. Она исчезает во льду.
Атмосфера — не постоянная особенность. Это сезонный пульс. Прилив. Дыши, когда солнце приближается. Задерживай дыхание, когда солнце отступает. Мы видим её только тогда, когда Плутон находит смелость отпустить её.
Что находится там, где ничего нет?
Плутон в основном дышит азотом. Мы знаем это благодаря наземным наблюдениям за звездным светом, проходящим за карликовой планетой во время затмений. Но «Новые горизонты» сделали больше, чем просто проверили базовые данные. Давайте заглянем глубже. Детекторы обнаружили в смеси метан и угарный газ. Появился также цианистый водород. Его количество невелико, но оно имеет большое значение. Азот не является уникальным для Плутона. Им дышит Земля. Крупнейший спутник Сатурна, Титан, окутан им. Также он есть у спутника Нептуна — Тритона. Во внешней Солнечной системе холодная, богатая азотом миля кажется нормой.
Однако цифры рассказывают другую историю об уязвимости. Давление на поверхности составляет всего 10 микробар. Тонкое. Бумаготонкое. Космический аппарат также зафиксировал наличие ацетилена, этилена и этана. Новые соединения. В темноте протекают новые химические реакции.
Температура у поверхности? 45 Кельвинов. Это минус 228 градусов по Цельсию или минус 379 градусов по Фаренгейту. Так холодно, что большинство веществ замерзает. Тем не менее атмосфера не коллапсирует. Она растягивается.
Небо, которое отказывается заканчиваться
Слой тумана виден на высоте 200 километров. 120 миль воздушных частиц. Но самое удивительное — это то, насколько далеко простирается атмосфера. Она поднимается вверх на 1800 километров. 1100 миль над поверхностью. Хотя планета настолько мала, она огромна.
Почему она не исчезает? Верхние слои атмосферы всё ещё довольно холодны. Холодные молекулы азота движутся медленно. У них нет скорости, чтобы преодолеть слабую гравитацию Плутона. Поэтому воздух остаётся на месте. Он висит там, растянутый и тонкий, противореча ожиданиям от того, что можно ожидать от маленького холодного небесного тела.
Поверхность и недра
«Новые горизонты» повезло. Или, возможно, вам не повезло, в зависимости от того, как вы смотрите на вероятность. Когда аппарат пролетал мимо Плутона, он увидел только одно полушарие. Есть лишь одна проблема. Эта сторона достаточно сложна, чтобы переписать всё, что мы думали знать о карликовых планетах.
Томбо Регно доминирует в этом изображении. Белый плато в форме сердца настолько впечатляет, что стало самым знаковым снимком миссии. Но внимательно посмотрите на западную долю сердца. Спутник Планития. Бассейн из мягкого азотного льда.
Нулевые ударные кратеры.
Это отсутствие — не пустое пространство. Это доказательство. Кратеры — это шрамы, оставленные космическими столкновениями, длившимися миллиарды лет. Их гладкость означала, что что-то стерло их недавно. Геологическая активность. Плутон — не мёртвая скала. Он живёт своим собственным ледяным способом.
Этот безупречный бассейн окружён грубыми местностями. Горы поднялись из земли и выглядели острыми и инопланетными. Они не сделаны из камня, как горы Земли. Это водяной лёд. Твёрдый, древний водяной лёд плавает в океане более мягкого азотного льда. Это геологическое противоречие, которое имеет идеальный смысл в замороженном вакууме пояса Койпера.
Затем появляются тёмные пятна.
Посмотрите на север. Чем выше широта, тем темнее цвет. Равнины тени. Но настоящее контрастное различие находится на западе. Ктулху Регно. Первоначально названный «китом» из-за своей формы, теперь он назван в честь Космического ужаса Г.Ф. Лавкрафта. Это самая тёмная область Плутона. Это лоскутное одеяло из равнин, крутых склонов, гор и кратеров.
Почему она такая тёмная? Органические соединения. Толы. Когда простые углеводороды подвергаются воздействию солнечного света или радиации, образуются сложные молекулы. Они окрашивают лёд. Они придают области глубокий красно-коричневый оттенок.
Это не просто вопрос цвета. Всё дело в отражении. Альбедо. У Плутона среднее альбедо 0,72. Отражает 55% света. Сравните это с Луной — 0,1. Для Тритона это 0,8. Плутон яркий.
Однако это среднее значение скрывает истину. Диапазон очень широк. Отражательная способность региона Ктулху составляет всего 0,1–0,2. Поглощает большую часть света. Томбо Регно? Отражает 0,8–1,0. Это почти зеркало.
Это больше, чем просто красивое фото. Это запись времени. Деятельность. Химия. Мы посмотрели на одну сторону. Другая сторона остаётся загадкой, скрытой во тьме, ожидая миссии, которая никогда не состоится. Или, возможно, просто знание того, что мы увидели, достаточно.
Что замерзло на Плутоне?
История поверхности Плутона начинается с хаотичного первого взгляда. В 1976 году астрономы провели первые грубые инфракрасные спектроскопические измерения. Хотя данные были неоднозначными, они указывали на неоспоримый факт: на поверхности присутствует твердый метан. Это не было догадкой. Это было обнаружение.
Переходим к началу 1990-х годов. Наземные инструменты были улучшены до такой степени, что позволили устранить влияние атмосферных помех. Картинка стала яснее. Наблюдатели обнаружили не только метан. Они заметили водяной лед. Они обнаружили монооксид углерода. Далее последовала молекула азота.
Обнаружение азота — это кошмар. Его спектральные свойства в природе слабы. Он скрывается на виду и отказывается заявлять о своем присутствии. Но данные в конечном итоге выявили сигнал. Азот — это не просто следовый элемент. Это основное вещество, покрывающее поверхность.
Метан не существует в одиночку. Он присутствует в двух различных формах. Иногда образуется чистый метановый лед. Он также может замерзать в виде раствора в азотном льду. Это смесь. Замерзшая смесь. Поверхность представляет собой сложную мозаику из этих летучих льдов, в основном азотных, но окрашенных метаном.
Хотя спектральный сигнатур азота изначально очень слаб, теперь ясно, что это вещество должно быть основным компонентом поверхности.
Эта комбинация важна. Азотный лед доминирует, потому что он является наиболее распространенным летучим веществом на карликовой планете. Метан смешивается, образуя замерзший «раствор». Водяной лед застревает на больших глубинах, где может быть слишком холодно для его перемещения. Монооксид углерода сосуществует с азотом, но в небольших количествах.
Исследование 1976 года открыло дверь. Инструменты 1990-х годов прошли через нее. Реальность оказалась холоднее и сложнее, чем предполагали ранние модели. Поверхность меняется. Со временем лед сублимируется и снова осаждается. Но основная структура остается, и азотный лед, смешанный с метаном, покрывает остальную часть мира.
Посмотрите на цифры. Плотность Плутона составляет 1,85 грамма на кубический сантиметр. У Харона она легче — 1,7. Эта разница важна. Это больше, чем просто статистика. Она говорит о том, из чего состоят эти мертвые миры.
Оба объекта заполнены веществом, которое плотнее водяного льда. Лед плавает. Горные породы и органические соединения тонут. Высокая плотность Плутона указывает на то, что его внутренняя часть представляет собой огромный каменный массив. Харон похож, но немного легче. Возможно, он более пористый. Возможно, в нем меньше камней. Я не уверен. Однако математически это демонстрирует общее происхождение.
Вспомним ледяные спутники Юпитера. Спутники Сатурна. Плотность Плутона попадает в нужную точку. Каменное ядро в центре. Его окружает толстый слой замерзшей воды. Это стандартная модель для малых объектов Солнечной системы. Но у Плутона есть свой хитрый трюк.
Тайна темной стороны
Наблюдения за поверхностью выявили замерзший азот, угарный газ и метан. Это летучие вещества. Они сублимируются. Если не поддерживать холод, они исчезнут в тонком воздухе. Здесь они образуют тонкую корку. Она подобна земным океанам: тонкая, плавающая, тяжелая.
Далее следует Спутник Плато (Sputnik Planitia).
Это гигантский бассейн. Кратер. Он образовался в результате столкновения миллиарды лет назад. По крайней мере, так говорит поверхность. Но расположение вызывает вопросы. Это не случайно. Бассейн находится на приливной оси. Точно напротив Харона.
Почему это важно?
Если ударный бассейн находится на обратной стороне приливно захваченного объекта, он не должен там оставаться. Приливные силы переориентировали бы планету. Тяжелые элементы тонут. Чем легче объект, тем больше он плавает. Если только что-то уже не существует. Тяжелые вещи.
Расположение Спутника Плато требует наличия дополнительной массы под ним.
Бассейн — это пустота. Он должен быть легким. Но он закреплен. С другой стороны находится луна. Это подразумевает наличие подповерхностного океана. Жидкая вода находится над каменным ядром. Под ледяной коркой.
Жидкий слой действует как балласт. Он смещает центр масс. Он притягивает бассейн к выравниванию. Море — это не просто геологическая особенность. Это стабилизатор.
Какие луны имеют подповерхностные океаны?
Мы знаем, что он есть у Европы. То же самое касается Энцелада. Ганимед? Возможно. А что насчет Плутона? Он уже настолько далеко. Темный. Холодный. Там Солнце — всего лишь яркая звезда. Как удержать его достаточно горячим, чтобы сохранить жидкость внутри?
Радиоактивный распад. Ядро из горных пород содержит радиоактивные изотопы. Они распадаются. Они выделяют тепло. Со временем. Медленно. Достаточно, чтобы поддерживать теплым границу между камнем и льдом. Достаточно, чтобы расплавить нижнюю часть ледяной корки.
У Харона может не быть такой роскоши. Низкая плотность означает меньше камней. Будет меньше радиоактивных материалов. Меньше тепла. Моря нет. Только замерзшие камни и лед.
Почему у Плутона есть океан?
Нагрев от удара? Тепло ранней аккреции? Или радиоактивная энергия высвобождается постепенно?
Наличие моря изменило все. Это означает, что Плутон — это не просто кусок льда и грязи. Он очень активен. Дифференциация. Слоистость. Камень утонул. Лед плавает. Вода стала жидкой.
Это касается не только Плутона. Это касается Пояса Койпера. Сколько из этих карликовых планет имеют скрытые океаны? Сколько
Харон — это больше, чем просто спутник. Имея половину размера своего «родителя», он является гигантским компаньоном, управляющим этой системой. Большинство спутников в Солнечной системе — лишь аксессуары. Харон же — партнёр.
Эти два объекта вращаются вокруг общего центра масс на расстоянии около 12 200 миль (19 640 км) друг от друга в открытом пространстве между ними. Это примерно 8 диаметров Плутона. Подумайте о масштабе.
Сравните это с Землёй и Луной. Наша Луна немного больше четверти размера Земли. Расстояние от Земли до Луны составляет около 30 диаметров Земли. Плутон и Харон расположены очень близко друг к другу. Они захвачены гравитационным объятием, которое определяет всё их существование.
Эта близость создаёт странно тихое небо. Орбитальный период Харона точно такой же, как орбитальный период Плутона. Они приливно связаны. Результатом этого является небесное рукопожатие, которое никогда не меняется.
Если бы вы стояли на полушарии Плутона, обращённом к Харону, вы никогда не увидели бы, как он восходит или заходит. Он висит в одной и той же точке неба днём и ночью. Это неподвижная точка в темноте, подобно геостационарному спутнику на Земле.
Харон полностью невидим с противоположной стороны Плутона. Он навсегда скрыт кривизной планеты.
Лицо, застывшее во времени
Дело не только в расположении. Харон также вращается в унисон. Он всегда показывает Плутону одну и ту же сторону.
Это двойная блокировка. Лица обоих тел обращены друг к другу. Их вращение и орбитальное движение полностью и бесшовно синхронизированы.
Почему это важно? Это определяет тепловую и геологическую историю обоих миров. Сторона Харона, обращённая к Плутону, всегда испытывает иной поток солнечного ветра и радиации, чем противоположная сторона. Это формировало состав поверхности Харона на протяжении миллиардов лет.
Харон нельзя рассматривать как пассивный камень. Он является активным участником сложной и жёстко связанной системы. Отсутствие вращения относительно Плутона означает стабильный температурный градиент. Стабильный градиент означает стабильные геологические процессы.
Мы всё ещё изучаем, какие именно это процессы. «Новые горизонты» дали нам снимок. Однако долгосрочные последствия этой бинарной связи остаются загадкой, которую мы лишь начинаем разгадывать.
Чувствуется ли никогда не движущаяся Луна на небе как спутник или как узник? Ответ зависит от того, хотите ли вы сбежать или остаться.
Харон не обладает ярким характером Плутона. Он тусклый. Его альбедо колеблется около 0,25, что делает его менее отражающим, чем сама карликовая планета. Цвет нейтральный. Почти монотонный. Но давайте рассмотрим спектр поближе.
Водяной лёд покрывает поверхность. Это самый важный ингредиент. Здесь нет твёрдого метана. Сосед Плутона покрыт ярко-красным? Полностью исчез. Вместо этого следы аммиака обнаруживаются глубоко внутри некоторых ударных кратеров.
Плотность рассказывает более глубокую историю. Харон достаточно плотный, чтобы содержать силикаты и органические соединения. Что-то тяжелее водяного льда. Что-то, что давно осело в ядро. Это означает внутреннее строение, не похожее ни на что другое. У луны есть слои.
Другая сторона большой луны
Харон не одинок. Но это главный. Остальные четыре луны, Стикс, Никс, Кербер и Гидра, кажутся маленькими по сравнению с ним. Они вытянутые. Комковатые. Неправильной формы.
Их орбита далеко от орбиты Харона. Расстояние поражает.
Гидра находится примерно в 64 721 километрах.
Кербер приближается на 57 750 километров.
Орбита Никса находится на расстоянии 48 690 километров.
Стикс — самый внутренний из малых лун на расстоянии 42 413 км.
Их орбиты примерно круговые. Харон тоже. Они разделяют одну и ту же плоскость орбиты. Это плоская система. Упорядоченная.
Отражение и вращение
Насколько ярки эти маленькие камни? Стикс, Никс и Кербер отражают свет так же, как Харон. Гидра ярче. Более отражающая.
Харон зафиксирован в синхронном вращении. Его вращение совпадает с его орбитой. Одна сторона всегда обращена к Плутону. Малые луны? Время их цикла — загадка. На самом деле, это запутанно.
Стикс и Кербер падают. Их радиальные размеры сильно различаются. Стикс варьируется от 10 до 25 километров. Кербер имеет длину от 13 до 34 километров. Никс и Гидра ещё больше, с радиусами около 44 км и 36 км соответственно.
| Название | Среднее расстояние (км) | Орбитальный период (дни) | Наклонение (градусы) | Эксцентриситет | Орбитальный период (дни) | Радиус (км) | Масса ($10^{20}$кг) | Плотность (г/см3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Харон | 17 536 | 6,387 | 0 | 0,0022 | 0,0022 | Синхр. | 604 | 15 |
| Стикс | 42 000 | 20,2 | 20,2 | 10-25 | 10-25 | |||
| Никс | 48 708 | 24,86 | 0,195 | 0,003 | 0,003 | 44 | 0,0058 | 0,0058 |
| Кербер | 59 000 | 32,1 | 32,1 | 13–34 | ||||
| Гидра |
Хаотичный танец лун Плутона
Орбитальная механика вокруг Плутона сложна. Харон управляет танцполом. На каждый полный оборот Харона Гидра совершает лишь около одной шестой своей орбиты. Кербер проходит примерно пятую часть своего пути. Никс — около четверти от общего расстояния. Стикс — треть.
Это не случайность. Соотношение орбит Гидры, Кербера, Никса и Стикса составляет ровно 6:5:4:3. Эти соотношения, основанные на небольших целых числах, указывают на существование стабильных динамических резонансов. Пять тел регулярно проходят мимо друг друга. Гравитация тянет и толкает, чтобы поддерживать регулярность встреч. Это хрупкий баланс.
Однако поле постоянно меняется. Плутон и Харон вращаются вокруг общего центра масс, создавая постоянно изменяющийся гравитационный ландшафт. Результат? Хаос. Никс и Гидра вращаются хаотически. Их полюса меняются местами. Это не стабильное вращение.
В отличие от большинства спутников Солнечной системы, четыре малые луны Плутона не вращаются синхронно. Период их вращения не фиксирован в соответствии с орбитальным периодом. Гидра вращается быстро, совершая полный оборот всего за 0,4295 суток. Кербер вращается медленно, затрачивая 5,31 суток на один оборот.
Открытие планеты случайно
Когда Плутон был открыт, его считали девятой планетой. Вместе с Ураном и Нептуном он является третьей открытой планетой после древних миров, видимых невооружённым глазом. Логика кажется разумной. Астрономы с конца XIX века предполагали существование девятого объекта.
Они наблюдали Уран. Заметны значительные возмущения в его орбитальном движении. Математика подсказывала, что более удалённые объекты вызывают гравитационные возмущения. Поиск продолжался.
Оказалось, что эти предположения были ошибочными. Масса Плутона слишком мала. Его гравитация недостаточно сильна, чтобы вызывать предполагаемые возмущения в орбите Урана. Это открытие стало удивительным совпадением. Это не было точным предсказанием гипотетической планеты, а скорее результатом тщательных наблюдений.
Поиски возглавляла обсерватория Лоуэлла в Флагстаффе, штат Аризона. Основатель Персиваль Лоуэлл инициировал это движение. Он получил известность благодаря своим публичным заявлениям о том, что на Марсе есть каналы. До своей смерти в 1916 году поиск продолжался, несмотря на две неудачные попытки найти планету.
В 1929 году была введена специально построенная для этой цели астрономическая камера. Она собирает свет с обшижного участка неба. Клайд Томбо, молодой астроном-любитель, был нанят для изучения неба.
18 февраля 1930 года он открыл Плутон. Прошло менее года с начала работы. Он обнаружил его в созвездии Близнецов.
Объект выглядел как слабая «звезда» 15-й звёздной величины. Он медленно двигался на фоне неподвижных звёзд. Ему требуется 248 лет, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца.
Лоуэлл и его коллеги предсказывали более крупные и яркие объекты. То, что нашёл Томбо, было маленьким. Однако Плутон вскоре был идентифицирован как ожидаемая девятая планета. Символ ♇, разработанный для этой цели, представляет собой первые две буквы названия «Pluto» и инициалы Персиваля Лоуэлла.
История Харона началась не с телескопа и не с пролёта мимо планеты. Всё началось с размытого снимка, сделанного в Обсерватории ВМС США в Флагстаффе. Место имеет значение. Обсерватория находится менее чем в 6 километрах от того места, где несколько десятилетий назад был открыт Плутон — короткое расстояние, но с огромным историческим весом.
Джеймс У. Кристи и Роберт С. Харрингтон стоят за камерой. Их цели были обыденными, но важными. Требовалась более точная информация об орбите Плутона. Они стремились к точности. Они искали небольшие изменения и крошечные колебания, которые могут выявить гравитационные аномалии или ошибки измерений в существующих моделях.
Вместо этого они обнаружили призрак.
В 1978 году Кристи заметил странное явление, просматривая фотопластинки. На одном снимке виднелось слабое выпуклое пятно на краю Плутона. На втором снимке с одной стороны наблюдался комочек. Это не вина плёнки. Это не космические лучи. Это был спутник.
Это новое небесное тело, Луна, скрывалось на виду. Оно было небольшим. Оно было тёмным. Но оно существовало.
Почему мифология менее важна, чем механика
Мы знаем луну как Харон, названный в честь перевозчика душ в подземный мир. Этот миф хорошо подходит для тёмного и далёкого мира. Однако эта мифология не объясняет физику.
Это открытие заставило астрономов пересмотреть взгляд на Плутон. До Харона Плутон воспринимался как одинокая карликовая планета, одинокая точка в Поясе Койпера. После открытия Харона он стал частью системы.
Подумайте, какую разницу это вносит.
Как только мы узнали о существовании луны, мы смогли измерить массу системы. Можно было рассчитать плотность. Понять динамику. Без Харона масса Плутона была бы просто догадкой. С Хароном она стала расчётом.
Его влияние также распространяется вовне.
- Масса Плутона значительно уменьшилась.
- Плотность указывает на то, что большая часть Плутона состоит из льда, а не из камня.
- Орбитальный период пары выявил приливную блокировку.
Приливная блокировка: танец, а не орбита
Вот странная часть. Харон не просто вращается вокруг Плутона. Плутон просто не вращается. Заблокирован.
Они приливной заблокированы друг относительно друга. Это означает, что Харон будет оставаться на одном и том же месте в небе Плутона. Плутон остаётся в той же позиции в небе Харона. Это бинарные отношения в истинном смысле. Вращение обоих объектов относительно друг друга не меняет их лица.
Если бы вы стояли на поверхности Плутона, глядя на Харон, луна была бы зафиксирована в небе. Она никогда не восходит. Она никогда не заходит. Она просто висела бы там, постоянное присутствие.
Эта блокировка происходит из-за гравитации. В прошлом приливные силы замедлили вращение Плутона, пока оно не совпало с орбитальным периодом Харона. Это общая судьба лун в нашей Солнечной системе, но наблюдение этого на краю известного мира ощущалось иначе. Это делает внешнюю систему более интимной. Более связанной.
Почему это важно сейчас?
Вы можете задаться вопросом, почему спутник, открытый в 1978 году, важен сегодня.
Это важно, потому что Харон — ключ к Плутону.
Без Харона мы могли бы считать Плутон неудавшейся планетой, космической ошибкой. Мы могли упустить
Прежде чем мы узнали о Хароне, Плутон был загадкой, окутанной туманом спекуляций. Он казался более массивным. Однако эти два числа нельзя измерить напрямую. Вы не можете просто взвесить камень, плавающий в 3,7 миллиарда миль от нас. Нужно делать предположения. И наши предположения были ошибочными.
Даже на первом изображении, показывающем Харон, он не выглядит очевидным шаром. Это был лишь бугорок. На одной стороне Плутона наблюдалось небольшое выпячивание. Это свидетельствует о двух вещах: эти объекты находятся очень близко друг к другу и очень далеко от Земли. Затем возникла проблема с атмосферой. Земная атмосфера скрывала всё, искажала свет и размывала чёткие края.
Эта проблема была решена только в конце 1990-х годов.
Прибыл космический телескоп «Хаббл». Наземные инструменты были оснащены адаптивной оптикой. Эти системы в реальном времени компенсируют атмосферную турбулентность. Внезапно размытость исчезла. Плутон и Харон стали отдельными телами. Не двумя бугорками. Двумя мирами.
Поиск остальных членов группы
Харон — не единственный спутник. Но поиск остальных требует иного терпения.
В 2005 году команда из девяти астрономов изучала тьму, используя изображения «Хаббла». Они искали объекты диаметром всего 25 километров. Они обнаружили Гидру и Нику. Маленькие. Крошечные. Их трудно заметить.
Но они не остановились на новых снимках. Они глубоко проанализировали архивные данные. В частности, изображение «Хаббла» 2002 года использовалось для картографирования поверхности. Там обнаружились ещё два объекта, тусклые, но чётко видимые. Они двигались. Это соответствовало орбитальным путям, рассчитанным на основе данных 2005 года. Подтверждение.
Этот паттерн повторялся.
В 2011 году шесть астрономов обнаружили Кербер в изображениях «Хаббла». Они проверили снова. Следы видны на снимках 2006 и 2010 годов. Это всего лишь небольшое пятно. Но оно там присутствует.
Далее последовала Стикс. Она также была обнаружена «Хабблом» в 2012 году.
В настоящее время нам известно, что у Плутона пять спутников. Харон. Гидра. Ника. Кербер. Стикс. Нужно просеивать шум, чтобы найти каждый сигнал.
Откуда они взялись?
Преобладавшая до открытия Харона теория была безумной.
Плутон — спутник Нептуна. Так думали люди. Он сбежал. Как? В результате близкого encounters — гравитационного толчка, который вытолкнул Плутон из системы Нептуна. Это объясняет ретроградную орбиту Тритона.
Логика кажется разумной. Плутон и Тритон примерно одного размера. Плутон совершает один оборот вокруг своей оси за 6,4 дня. Тритону требуется 5,9 дня, чтобы совершить один оборот вокруг Нептуна. Это число слишком близко, чтобы его игнорировать.
Однако математика не сходится.
Пересмотренная масса Плутона составляет лишь половину массы Тритона. Половину. Её недостаточно, чтобы обратить орбиту Тритона. Силы недостаточно. Теория побега умерла там.
Затем есть размер Харона. У Плутона есть луна, которая непропорционально велика. Если Плутон сбежал от Нептуна, почему он взял с собой такого крупного спутника? Это делает сценарий побега маловероятным.
Современная модель чище. Жестокая, но более логичная.
Плутон и Харон сформировались независимо в солнечной туманности. Газопылевом облаке, которое конденсировалось, образуя нашу Солнечную систему. Они столкнулись. Прото-Харон столкнулся с Плутоном. Столкновение создало кольцо обломков. Это кольцо аккрецировало. Гравитация притягивала пыль. Так сформировался Харон.
Та же история с лунным спутником Земли. Объект размером с Марс врезался в Землю. Обломки образовали кольцо. Луна сколлапсировала в единое целое.
Посмотрите на химию. Луна имеет высокое температурное происхождение, поэтому в ней отсутствуют летучие элементы. На Хароне нет метана. Плутон и Харон имеют относительно высокую плотность. Это столкновение объясняет оба факта. Тепло вытеснило летучие вещества. Плотность осталась прежней.
Происхождение малых спутников
А как насчёт Гидры, Никсы, Кербера и Стикса?
Некоторые астрономы считают, что они родились независимо. Позже они были захвачены. Их происхождение различно. Разные типы «грузовиков».
Но небесная механика говорит об обратном.
Четыре малых спутника имеют круговые орбиты в одной плоскости. Они вращаются в одной плоскости. У них есть общая динамическая резонансная связь. Это не случайный захват. Это семья.
Столкновение с Хароном высвободило достаточно обломков, чтобы сформировать остальных. Материал из его кольца аккрецировал на все три луны. Вероятно, на больше. Их просто ещё не нашли.
Это указывает на нечто из ранней Солнечной системы.
Около 4,6 миллиарда лет назад внешняя туманность была переполнена. Там было много ледяных тел. Такого же размера, как Плутон и Харон. Они не были уникальны. Они состояли из более мелких объектов. Сегодня мы называем эти объекты ядрами комет.
Тритон, вероятно, один из тех гигантских ледяных планетезималей. Захваченный Нептуном в ранней истории. Хирон, вращающийся между Сатурном и Ураном, — ещё один пример. Ядро гигантской кометы. Это уменьшенная версия сатурнианского спутника Фебы.
Мы ищем выживших. Осколки. Остатки Эпохи Хаотического Формирования. Система Плутона — не аномалия. Это снимок структуры внешней Солнечной системы.
Мы всё ещё учимся читать. Тусклые следы старых данных «Хаббла» напоминают нам, что Вселенная скрывает детали, пока мы не готовы их увидеть. Или пока не создадим правильные инструменты.
Пояс Койпера и облако Оорта
Большинство ледяных планетезималей поглощаются гигантскими планетами в процессе их формирования. Но это не всё.
Многие объекты остались на месте. Они стали разрозненными элементами пояса Койпера. Это толстый плоский диск, расположенный за орбитой Нептуна. Он лежит в плоскости Солнечной системы. В частности, он включает внешнюю часть орбиты Плутона.
Миллиарды других объектов были рассеяны за его пределами. Это произошло во время формирования Урана и Нептуна. Вероятно, они образуют облако Оорта — гигантскую сферическую оболочку, расположенную на расстоянии около 50 000 астрономических единиц.
В начале 1990-х годов астрономы обнаружили более 1000 объектов пояса Койпера (ОПК). Вывод очевиден: Плутон и Харон — лишь крупные члены этого пояса. Объекты, такие как Хирон и спутник Нептуна Тритон, возможно, произошли от объектов пояса Койпера. То же самое верно для многих других ледяных спутников.
Рассмотрим их орбиты. Некоторые объекты пояса Койпера имеют сильно вытянутые эллиптические орбиты. Они наклонены к плоскости Солнечной системы. Они имеют общие черты с Плутоном: стабильное орбитальное резонансное соотношение 3:2 с Нептуном. Астрономы назвали их плутинoами (Plutinos). Маленькие Плутоны.
Почему статус Плутона как планеты изменился
До того как Плутон лишили статуса планеты, не существовало строгого определения. Астрономы ещё не договорились о минимальной массе, радиусе или механизме происхождения.
Старое разделение было интуитивным. Крупные небесные тела — это планеты. Меньшие — астероиды и кометы. Луна — нечто иное. Такой подход работает, если различия кажутся существенными. Он работает, когда малые объекты едва воспринимаются как строительные блоки для других.
Это раннее и фрагментарное представление. Подобно притче о слепых и слоне: каждый ощупывает разные части тела. Каждый распознаёт разные объекты.
Позже мы осознали, что первоначальная группировка оказалась несостоятельной. Составляющие Солнечной системы необходимо переклассифицировать. Для этого требуются сложные и взаимосвязанные определения.
Когда Плутон был впервые обнаружен, астрономы считали его одиночным странником. Это чувство изоляции оправдывало его место в Клубе планет внутренней части Солнечной системы. Если бы он был обнаружен позже и окружён объектами пояса Койпера, никто бы не назвал его планетой.
Десятилетиями размер не имел значения. Ледяной состав не помогал. Странная орбита также не способствовала признанию. Некоторые эксперты постоянно ставили под сомнение его статус. Затем наступил XXI век.
Эрида меняет математику
Астрономы начали обнаруживать другие объекты пояса Койпера. Объекты размером с Харон стали обычным явлением. Появилась Эрида.
Эрида немного больше Плутона.
Внезапно Плутон перестал быть особенным. Он стал просто одним из многих. Астрономы столкнулись с выбором: добавить планеты в список или исключить Плутон. Международный астрономический союз (МАС) выбрал второй путь в 2006 году. Они также создали новую категорию: карликовые планеты.
Эта категория включает крупные объекты с похожим происхождением и орбитами. Метку карликовой планеты получили Плутон, Эрида и Церера. Церера находится в поясе астероидов. Её диаметр составляет около 940 километров.
Определение плутоидов
Ещё одно обновление было сделано в июне 2008 года. Международный астрономический союз классифицирует карликовые планеты на несколько подкатегорий. Они добавили термин «плутониды».
Плутон — это карликовая планета, находящаяся дальше от Солнца, чем Нептун. По сути, это крупный объект пояса Койпера.
Плутон является плутоидом. Эрида также является плутоидом. Церера отличается. Она находится в поясе астероидов слишком близко к Солнцу.
С тех пор список плутоидов становится всё длиннее. К ним присоединились Макемаке и Хаумеа. Оба являются карликовыми планетами. Оба являются плутоидами.
