Солнечная система (Астрономия и астрофизика) - Сурдин Владимир Георгиевич - Страница 62

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

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

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

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

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

Транснептуновые объекты

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

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

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

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

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

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