Вселенная сегодня
Новости космоса и астрономии
—>
—>Вселенная Сегодня » 2009 » Ноябрь » 4 » Сколько времени займет у Плутона, чтобы совершить оборот вокруг Солнца?
Сразу после открытия Плутона его тусклость, а также отсутствие у него различимого планетного диска, вызвали сомнения в том, что он является лоуэлловской «Планетой X». Всю середину XX века оценка массы Плутона постоянно пересматривалась в сторону уменьшения. Открытие в 1978 году Харона — спутника Плутона — впервые позволило измерить его массу. Эта масса, равная примерно 0,2 % массы Земли, оказалась слишком мала, чтобы быть причиной несоответствий в орбите Урана. Последующие поиски альтернативной Планеты X, в особенности проводимые Робертом Гаррингтоном (англ.) [38] , не увенчались успехом. Во время прохождения «Вояджера-2» около Нептуна в 1989 году были получены данные, по которым общая масса Нептуна была пересмотрена в сторону уменьшения на 0,5 %. В 1993 году Майлс Стэндиш (англ. Myles Standish ) использовал эти данные для перевычисления гравитационного воздействия Нептуна на Уран. В результате исчезли несоответствия в орбите Урана, а с ними и надобность в Планете X [39] . На сегодняшний день подавляющее большинство астрономов согласно с тем, что лоуэлловская Планета X не существует. В 1915 году Лоуэлл предсказал положение Планеты X, которое было весьма близко к фактическому положению Плутона на тот момент; однако английский математик и астроном Эрнест Браун пришёл к заключению, что это было случайным совпадением, и данная точка зрения ныне общепринята [40] . Хронология
Физические характеристики
Большое расстояние Плутона от Земли сильно усложняет его всестороннее исследование. Новые сведения об этой карликовой планете, возможно, будут получены в 2015 году, когда ожидается прибытие аппарата «New Horizons» в область Плутона [41] . Визуальные характеристики и строениеЗвёздная величина Плутона составляет в среднем 15,1, в перигелии достигает 13,65 [1] . Для наблюдений Плутона необходим телескоп, желательно с апертурой не менее 30 см [42] . Плутон выглядит звездообразным и расплывчатым даже в очень большие телескопы, поскольку его угловой диаметр составляет всего лишь 0,11″. При очень большом увеличении Плутон выглядит светло-коричневым со слабым оттенком жёлтого [43] . Спектроскопический анализ Плутона показывает, что его поверхность более чем на 98 % состоит из азотного льда со следами метана и моноокиси углерода [44] [45] . Расстояние и возможности современных телескопов не позволяют получить качественные снимки поверхности Плутона. Фотографии, полученные космическим телескопом «Хаббл», позволяют различить лишь самые общие детали, да и то нечётко [46] .
Самые лучшие изображения Плутона были получены при составлении так называемых «карт яркости», созданных, благодаря наблюдениям за затмениями Плутона его спутником Хароном, происходившими в 1985—1990 гг. [47] Используя компьютерную обработку, удавалось уловить изменение поверхностного альбедо при затмевании планеты её спутником. Например, затмение более яркой детали поверхности производит бо́льшие колебания в видимой яркости, чем затмение тёмной. Используя эту технику, можно узнать полную среднюю яркость системы Плутон—Харон и отследить изменения яркости в течение долгого времени. Тёмная полоса ниже экватора Плутона, как можно заметить, имеет довольно сложную окраску, что указывает на некие, неизвестные пока механизмы формирования поверхности Плутона [48] . Карты, составленные по данным телескопа «Хаббл», свидетельствуют о том, что поверхность Плутона крайне неоднородна. Об этом также свидетельствует и кривая блеска Плутона (то есть зависимость его видимой яркости от времени) и периодические изменения в его инфракрасном спектре. Поверхность Плутона, обращённая к Харону, содержит немало метанового льда, в то время как противоположная сторона содержит больше льда из азота и моноокиси углерода и там почти нет метанового льда [44] . Благодаря этому, Плутон занимает второе место как наиболее контрастный объект в Солнечной системе (после Япета) [49] . Данные, полученные с помощью космического телескопа «Хаббл», позволяют предположить, что плотность Плутона составляет 1,8—2,1 г/см³. Вероятно, внутреннюю структуру Плутона составляют 50—70 % горных пород и 50—30 % льда [45] . В условиях системы Плутона может существовать водяной лёд (разновидности лёд I, лёд II, лёд III, лёд IV и лёд V, а также замёрзшие азот, монооксид углерода и метан [50] . Поскольку распад радиоактивных минералов в итоге нагрел бы льды достаточно для того, чтобы они отделились от горных пород, учёные предполагают, что внутренняя структура Плутона дифференцирована — горные породы в плотном ядре, окружённые мантией изо льда, толщина которой в таком случае должна будет составлять примерно 300 км [50] . Также возможно, что нагревание продолжается и сегодня, создавая под поверхностью океан жидкой воды [51] . Масса и размеры
Астрономы, первоначально полагая, что Плутон и есть та самая «Планета X» Лоуэлла, вычислили его массу на основе его предполагаемого воздействия на орбиту Нептуна и Урана. В 1955 году считалось, что масса Плутона приблизительно равна массе Земли, а дальнейшие вычисления позволили понизить эту оценку к 1971 году приблизительно до массы Марса [52] . В 1976 году Дейл Крукшенк, Карл Пилчер и Дэвид Моррисон из Гавайского университета впервые вычислили альбедо Плутона, найдя, что оно соответствует альбедо метанового льда. Исходя из этого было решено, что Плутон должен быть исключительно ярким для своего размера и потому не мог иметь массу больше, чем 1 % от массы Земли [52] [53] . Открытие в 1978 году спутника Плутона — Харона — позволило измерить массу системы Плутона, используя третий закон Кеплера. Как только гравитационное влияние Харона на Плутон было вычислено, оценки массы системы Плутон — Харон упали до 1,31×10 22 кг, что составляет 0,24 % от массы Земли [54] . Точное определение массы Плутона в настоящий момент невозможно, так как неизвестно соотношение масс Плутона и Харона. В настоящее время считается, что массы Плутона и Харона соотносятся в пропорции 89:11, с возможной ошибкой 1 % [50] . В целом возможная ошибка определения основных параметров Плутона и Харона составляет от 1 до 10 %. До 1950 года считалось, что по диаметру Плутон близок к Марсу (то есть около 6700 км), ввиду того, что если бы Марс был на таком же расстоянии от Солнца, то он тоже имел бы 15 звёздную величину. В 1950 Дж. Койпер измерил при помощи телескопа с 5-метровым объективом угловой диаметр Плутона, получив значение 0,23″, которому соответствует диаметр в 5900 км. В ночь с 28 на 29 апреля 1965 года Плутон должен был покрыть звезду 15-й величины, если бы его диаметр был равен определённому Койпером. Двенадцать обсерваторий следили за блеском этой звёздочки, но он не ослабел. Так было установлено, что диаметр Плутона не превосходит 5500 км. В 1978 году, после открытия Харона, диаметр Плутона был оценён как 2600 км. Позднее, наблюдения за Плутоном во время затмений Плутона Хароном и Харона Плутоном 1985—1990 гг. [47] позволили установить, что его диаметр равен примерно 2390 км [55] .
С изобретением адаптивной оптики удалось точно определить и форму планеты [56] . Среди объектов Солнечной системы Плутон меньше по размерам и массе не только в сравнении с остальными планетами, он уступает даже некоторым их спутникам. Например, масса Плутона составляет лишь 0,2 от массы Луны. Плутон меньше семи естественных спутников других планет: Ганимеда, Титана, Каллисто, Ио, Луны, Европы и Тритона. Плутон в два раза больше в диаметре и раз в десять массивнее Цереры, крупнейшего объекта в поясе астероидов (расположенного между орбитами Марса и Юпитера), однако, при приблизительно равных диаметрах [3] [4] , уступает в массе карликовой планете Эриде из рассеянного диска, обнаруженной в 2005 году. Атмосфера
Атмосфера Плутона — тонкая оболочка из азота, метана и монооксида углерода, испаряющихся с поверхностного льда [57] . С 2000 по 2010 год атмосфера значительно расширилась за счёт сублимации поверхностных льдов. На рубеже XXI века она простиралась на 100—135 км над поверхностью, а по результатам измерений 2009—2010 гг. — тянется более чем на 3000 км, что составляет около четверти расстояния до Харона [58] . Термодинамические соображения диктуют следующий состав этой атмосферы: 99 % азота, чуть меньше 1 % моноокиси углерода, 0,1 % метана [50] . Когда Плутон отдаляется от Солнца, его атмосфера постепенно замораживается и оседает на поверхности. При приближении Плутона к Солнцу, температура около его поверхности заставляет льды сублимироваться и превращаться в газы. Это создаёт антипарниковый эффект: подобно поту, охлаждающему тело при испарении с поверхности кожи, сублимация производит охлаждающий эффект на поверхность Плутона. Учёные, благодаря Субмиллиметровому массиву (англ.), недавно вычислили, что температура на поверхности Плутона 43 К (−230,1 °C), что на 10 К меньше, чем ожидалось [59] . Верхняя атмосфера Плутона на 50° теплее, чем поверхность, и составляет -170°С. [60] Атмосфера Плутона была обнаружена в 1985 году при наблюдении покрытия им звёзд. В дальнейшем факт наличия атмосферы был подтверждён интенсивными наблюдениями за другими покрытиями в 1988. Когда объект не имеет атмосферы, покрытие звезды происходит достаточно резко, в случае же с Плутоном звезда затемняется постепенно. Как было установлено по коэффициенту поглощения света, атмосферное давление на Плутоне во время этих наблюдений составляло всего 0,15 Па, что составляет лишь 1/700 000 от земного [61] . В 2002 году очередное покрытие звезды Плутоном наблюдалось и анализировалось командами под началом Брюно Сикарди из Парижской обсерватории [62] , Джеймсом Л. Элиотом из МТИ [63] и Джеем Пасачоффом из Уильямстаунского колледжа (Массачусетс) [64] . Атмосферное давление оценивалось на момент измерений в 0,3 Па, несмотря на то, что Плутон был дальше от Солнца, чем в 1988 году, и, таким образом, должен был быть более холодным и иметь более разреженную атмосферу. Одно из объяснений несоответствия состоит в том, что в 1987 году южный полюс Плутона впервые за 120 лет вышел из тени, что способствовало испарению дополнительного азота из полярных шапок. Теперь потребуются десятилетия, чтобы этот газ конденсировался из атмосферы [65] . В октябре 2006 Дейл Крукшенк из исследовательского центра НАСА (новый научный сотрудник миссии «New Horizons») и его коллеги объявили об открытии при спектрографии Плутона этана на его поверхности. Этан — производное от фотолиза или радиолиза (то есть химического преобразования при воздействии солнечного света и заряженных частиц) замороженного метана на поверхности Плутона; он выделяется, судя по всему, в атмосферу [66] . Температура атмосферы Плутона значительно выше температуры его поверхности и равна −180 °C [67] . ОрбитаОрбита Плутона значительно отличается от орбит других планет. Она сильно наклонена относительно эклиптики (более чем на 17°) и сильно эксцентрична (эллиптически). Орбиты всех других планет Солнечной системы близки к круговым и составляют небольшой угол с плоскостью эклиптики. Среднее расстояние Плутона от Солнца составляет 5,913 млрд км, или 39,53 а. е., но из-за большого эксцентриситета орбиты (0,249) это расстояние меняется от 4,425 до 7,375 млрд км (29,6—49,3 а. е.). Солнечный свет идёт до Плутона около пяти часов, соответственно, столько же потребуется радиоволнам, чтобы долететь от Земли до космического аппарата, находящегося возле Плутона. Большой эксцентриситет орбиты приводит к тому, что часть её проходит от Солнца ближе, чем Нептун. Последний раз такое положение Плутон занимал с 7 февраля 1979 по 11 февраля 1999 года. Детальные вычисления показывают, что до этого Плутон занимал такое положение с 11 июля 1735 по 15 сентября 1749 года, причём всего 14 лет, тогда как с 30 апреля 1483 по 23 июля 1503 года он находился в таком положении 20 лет. Из-за большого наклона орбиты Плутона к плоскости эклиптики, орбиты Плутона и Нептуна не пересекаются. Проходя перигелий, Плутон находится на 10 а. е. над плоскостью эклиптики. К тому же, период обращения Плутона равен 247,69 года, и Плутон делает два оборота за то время, пока Нептун делает три. В результате Плутон и Нептун никогда не сближаются менее чем на 17 а. е. [68] [69] Орбиту Плутона можно предсказать на несколько миллионов лет как назад, так и вперёд, но не больше. Механическое движение Плутона хаотично и описывается нелинейными уравнениями. Но чтобы заметить этот хаос, необходимо наблюдать за ним достаточно долго. Есть характерное время его развития, так называемое время Ляпунова, которое для Плутона составляет 10—20 млн лет. Если производить наблюдения в течение малых промежутков времени, будет казаться, что движение регулярное (периодическое по эллиптической орбите). На самом же деле орбита с каждым периодом чуть сдвигается, и за время Ляпунова сдвигается настолько сильно, что следов от первоначальной орбиты уже не остаётся. Поэтому и моделировать движение очень сложно [68] [69] . Орбиты Нептуна и Плутона
Плутон находится с Нептуном в орбитальном резонансе 3:2 — на каждые три оборота Нептуна вокруг Солнца приходится два оборота Плутона, весь цикл занимает 500 лет. Кажется, что Плутон должен периодически сильно приближаться к Нептуну (ведь проекция его орбиты пересекается с орбитой Нептуна) [70] [71] [72] [73] . Парадокс заключается в том, что Плутон иногда оказывается ближе к Урану. Причина этого — всё тот же резонанс. В каждом цикле, когда Плутон первый раз проходит перигелий, Нептун оказывается в 50° позади Плутона; когда Плутон второй раз будет проходить перигелий, Нептун сделает полтора оборота вокруг Солнца и окажется примерно на том же расстоянии что и в прошлый раз, но впереди Плутона; в то время, когда Нептун и Плутон оказываются на одной линии с Солнцем и по одну от него сторону, Плутон уходит в афелий. Таким образом, Плутон не бывает ближе 17 а. е. к Нептуну, а с Ураном возможны сближения до 11 а. е. Орбитальный резонанс между Плутоном и Нептуном очень стабилен и сохраняется миллионы лет [74] . Даже если бы орбита Плутона лежала в плоскости эклиптики, столкновение было бы невозможно [72] . Стабильная взаимозависимость орбит свидетельствует против гипотезы, что Плутон был спутником Нептуна и покинул его систему. Однако возникает вопрос: если Плутон никогда не проходил близко от Нептуна, то откуда мог возникнуть резонанс у карликовой планеты, гораздо менее массивной, чем, например, Луна? Одна из теорий предполагает, что если Плутон изначально не был в резонансе с Нептуном, то он, вероятно, время от времени сближался с ним гораздо сильнее, и эти сближения за миллиарды лет воздействовали на Плутон, изменив его орбиту и превратив её в наблюдаемую ныне. Дополнительные факторы, влияющие на орбиту Плутона
Расчёты позволили установить, что в течение миллионов лет общая природа взаимодействий между Нептуном и Плутоном не меняется [70] [75] . Однако существует ещё несколько резонансов и воздействий, которые влияют на особенности их перемещения относительно друг друга и дополнительно стабилизируют орбиту Плутона. Помимо орбитального резонанса 3:2, преимущественное значение имеют следующие два фактора. Во-первых, аргумент перигелия Плутона (угол между точкой пересечения его орбиты с плоскостью эклиптики и точкой перигелия) близок к 90° [75] . Из этого следует, что при прохождении перигелия Плутон максимально поднимается над плоскостью эклиптики, тем самым предотвращается столкновение с Нептуном. Это прямое следствие эффекта Козаи [70] , который соотносит эксцентриситет и наклонение орбиты (в данном случае орбиты Плутона), учитывая воздействие более массивного тела (здесь — Нептуна). При этом амплитуда либрации Плутона относительно Нептуна составляет 38°, и угловое разделение перигелия Плутона с орбитой Нептуна всегда будет более 52° (то есть 90°−38°). Момент, когда угловое разделение бывает наименьшим, повторяется каждые 10 000 лет [74] . Во-вторых, долготы восходящих узлов орбит этих двух тел (точек, где они пересекают эклиптику) практически находятся в резонансе с вышеуказанными колебаниями. Когда эти две долготы совпадают, то есть когда можно протянуть прямую линию через эти 2 узла и Солнце, перигелий Плутона составит с ней угол в 90°, и при этом карликовая планета будет находиться выше всего над орбитой Нептуна. Другими словами, когда Плутон пересечёт проекцию орбиты Нептуна и наиболее глубоко зайдёт за её линию, то он сильнее всего удалится от её плоскости. Это явление называют суперрезонансом 1:1 [70] . Для того чтобы понять природу либрации, представьте, что вы смотрите на эклиптику из удалённой точки, откуда планеты видны движущимися против часовой стрелки. После прохождения восходящего узла Плутон находится внутри орбиты Нептуна и движется быстрее, нагоняя Нептун сзади. Сильное притяжение между ними вызывает вращательный момент, приложенный к Плутону за счёт гравитации Нептуна. Он переводит Плутон на немного более высокую орбиту, где он движется чуть медленнее в соответствии с 3-м законом Кеплера. Так как орбита Плутона меняется, то процесс постепенно влечёт за собой изменение перицентра и долгот Плутона (и, в меньшей степени, Нептуна). После многих таких циклов Плутон настолько тормозится, а Нептун настолько ускоряется, что Нептун начинает ловить Плутон на противоположной стороне своей орбиты (возле узла, противоположного тому, с которого мы начали). Процесс затем обращается, и Плутон отдаёт вращательный момент Нептуну до тех пор, пока Плутон не разгоняется настолько, что начинает догонять Нептун возле первоначального узла. Полный цикл завершается примерно за 20 000 лет [72] [74] . Спутники
У Плутона есть четыре естественных спутника: Харон, открытый в 1978 астрономом Джеймсом Кристи, и два маленьких спутника, Никта и Гидра, открытые в 2005 году [76] . Последний спутник был открыт телескопом «Хаббл»; сообщение об открытии было опубликовано 20 июля 2011 на сайте телескопа. Временно его назвали S/2011 P 1 (P4); его размеры составляют от 13 до 34 км [10] . Спутники Плутона расположены к планете дальше, чем в других известных спутниковых системах. Спутники Плутона могут обращаться на 53 % (или 69 %, если движение ретроградное) от радиуса сферы Хилла, устойчивой зоны гравитационного влияния Плутона. Для сравнения, почти самый дальний спутник Нептуна Псамафа обращается на 40 % от радиуса сферы Хилла для Нептуна. В случае Плутона лишь внутренние 3 % зоны заняты спутниками. В терминологии исследователей Плутона, его спутниковая система обозначается как «очень компактная и в значительной степени пустая» [77] . Примерно с начала сентября 2009 года астрофизиками было разработано программное обеспечение, которое позволило проанализировать архивные изображения Плутона, сделанные телескопом «Хаббл», и установить наличие ещё 14 космических объектов, находящихся вблизи орбиты Плутона. Диаметры космических тел варьируются в пределах 45—100 км [78] . Исследования системы Плутона телескопом «Хаббл» позволили определить предельные размеры возможных спутников. С уверенностью 90 % можно утверждать, что у Плутона нет спутников крупнее 12 км в диаметре (максимум — 37 км при альбедо в 0,041) за пределами 5″ от диска этой карликовой планеты. При этом предполагается подобное Харону альбедо в 0,38. С уверенностью 50 % можно утверждать, что предельные размеры для таких спутников — 8 км [79] . ХаронХарон был открыт в 1978 году. Он был назван в честь Харона — перевозчика душ умерших через Стикс. Его диаметр, по современным оценкам, составляет 1205 км — чуть больше половины диаметра Плутона, а соотношение масс составляет 1:8. Для сравнения, соотношение масс Луны и Земли равняется 1:81. Наблюдения покрытия звезды Хароном 7 апреля 1980 года позволили получить оценку радиуса Харона: 585—625 км [80] . К середине 1980-х гг. наземными методами, в первую очередь с применением спекл-интерферометрии [47] удалось довольно точно оценить радиус орбиты Харона, последующие наблюдения орбитального телескопа «Хаббл» не очень сильно изменили ту оценку, установив, что он — в пределах 19 628—19 644 км [80] . В период с февраля 1985 года по октябрь 1990 года наблюдались чрезвычайно редкие явления: попеременные затмения Плутона Хароном и Харона Плутоном. Они происходят, когда восходящий, либо нисходящий узел орбиты Харона оказывается между Плутоном и Солнцем, а такое случается примерно каждые 124 года. Поскольку период обращения Харона — чуть меньше недели, затмения повторялись каждые трое суток, и за пять лет произошла большая серия этих событий [47] . Эти затмения позволили составить «карты яркости» и получить хорошие оценки радиуса Плутона (1150—1200 км) [80] .
Барицентр системы Плутон—Харон находится вне поверхности Плутона, поэтому некоторые астрономы считают Плутон и Харон двойной планетой (двойной планетной системой — такой вид взаимодействий крайне редко встречается в Солнечной системе, уменьшенным вариантом такой системы можно считать астероид 617 Патрокл) [81] . Эта система также необычна среди других планет, испытывающих приливное воздействие: и Харон, и Плутон всегда повёрнуты друг к другу одной и той же стороной. То есть с одной стороны Плутона, обращённой к Харону, Харон виден как неподвижный объект, а с другой стороны планеты Харона не видно вообще никогда [82] . Особенности спектра отражаемого света приводят к заключению, что Харон покрыт водным льдом, а не метаново-азотным, как Плутон. В 2007 году наблюдения обсерватории Джемини позволили установить наличие на Хароне гидратов аммиака и водяных кристаллов, что, в свою очередь, позволяет предположить наличие на Хароне криогейзеров [83] . Согласно проекту Резолюции 5 XXVI Генеральной ассамблеи МАС (2006) Харону (наряду с Церерой и объектом 2003 UB313) предполагалось присвоить статус планеты. В примечаниях к проекту резолюции указывалось, что в таком случае Плутон—Харон будет считаться двойной планетой. Однако в окончательном варианте резолюции содержалось иное решение: было введено понятие карликовая планета. К этому новому классу объектов были отнесены Плутон, Церера и объект 2003 UB313 . Харон не был включён в число карликовых планет. Источник ➤ Adblockdetector | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
), которые также являются инициалами имени П. Лоуэлла [30] [24] . Астрологический символ Плутона напоминает символ Нептуна (
), с той разницей, что на месте среднего зубца в трезубце круг (
).
