Пояс Койпера

Пояс Койпера — это область Солнечной системы за орбитой Нептуна, представляющая собой гигантское скопление малых тел, преимущественно состоящих из льдов и камня. Он является частью более обширного транснептунового региона и простирается от орбиты Нептуна (около 30 астрономических единиц, а. е.) до расстояния примерно 50 а. е. от Солнца. Пояс Койпера служит основным источником короткопериодических комет и содержит множество карликовых планет, включая Плутон, который долгое время считался девятой планетой Солнечной системы.

История открытия

Теоретические предсказания

Идея о существовании пояса тел за орбитой Нептуна впервые была высказана в середине XX века. В 1943 году американский астроном Кеннет Эджворт предположил, что за Нептуном может находиться облако кометных ядер. В 1951 году голландско-американский астроном Джерард Койпер, в честь которого впоследствии был назван пояс, высказал гипотезу о том, что такой пояс мог образоваться на ранних этапах формирования Солнечной системы. Однако он считал, что к настоящему времени пояс должен был быть разрушен гравитационным влиянием планет-гигантов.

Первые открытия

Долгое время поиски объектов за Нептуном не приносили результатов. Первый транснептуновый объект (ТНО) был открыт лишь в 1992 году астрономами Дэвидом Джуиттом и Джейн Лу. Объект, получивший обозначение 1992 QB1, имел диаметр около 160 км и находился на расстоянии около 41 а. е. от Солнца. Это открытие подтвердило существование пояса, предсказанного теоретически. К 2000 году было открыто уже несколько сотен подобных объектов.

Переклассификация Плутона

Открытие в 2005 году Эриды — объекта, превышающего по размерам Плутон, — привело к пересмотру определения планеты. В 2006 году Международный астрономический союз (МАС) ввёл новое определение, согласно которому Плутон перестал считаться планетой и был отнесён к категории карликовых планет, став крупнейшим известным объектом Пояса Койпера.

Структура и состав

Физические характеристики

Пояс Койпера не является однородным диском. Он состоит из нескольких динамических групп объектов, различающихся по орбитальным характеристикам и составу. Основными компонентами являются:

• Классические объекты Пояса Койпера — тела с орбитами, близкими к круговым, лежащими между 42 и 48 а. е. Они делятся на «холодную» (низкий наклон орбиты) и «горячую» (высокий наклон) популяции.
• Резонансные объекты — тела, находящиеся в орбитальном резонансе с Нептуном (например, 2:3, 3:4, 1:2). Наиболее известны плутино — объекты в резонансе 2:3, к которым относится Плутон.
• Рассеянный диск — область с сильно вытянутыми и наклонёнными орбитами, простирающаяся до 100 а. е. и далее. Считается, что объекты рассеянного диска были выброшены из внутренней части пояса гравитационным влиянием Нептуна.

Химический состав

Объекты Пояса Койпера состоят в основном из водяного льда, метана, аммиака и других замороженных газов, смешанных с силикатными породами. Поверхность многих объектов имеет красноватый оттенок из-за присутствия толинов — сложных органических соединений, образующихся под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Размеры объектов варьируются от нескольких километров до более чем 2000 км в диаметре (у Плутона).

Крупнейшие объекты

Карликовые планеты

По состоянию на 2024 год МАС официально признал пять карликовых планет в Поясе Койпера:

Другие значимые объекты

Кроме карликовых планет, в поясе обнаружены тысячи более мелких тел. Среди них выделяются:

• Орк — объект диаметром около 910 км, спутник которого носит название Вант.
• Седна — объект с чрезвычайно вытянутой орбитой (перигелий 76 а. е., афелий 937 а. е.), который иногда относят к внутренней части облака Оорта.
• 2007 OR10 (Гун-гун) — объект диаметром около 1230 км, открытый в 2007 году.

Происхождение и эволюция

Модель формирования

Согласно современным представлениям, Пояс Койпера образовался из протопланетного диска, окружавшего молодое Солнце. В первые 100 миллионов лет существования Солнечной системы в этой области происходила аккреция ледяных частиц, формировавших планетезимали. Однако из-за низкой плотности материала полномасштабное образование планет не произошло.

Миграция Нептуна

Ключевую роль в формировании современной структуры пояса сыграла миграция Нептуна. Согласно модели Ниццы, планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) в ранней истории Солнечной системы меняли свои орбиты. Нептун, двигаясь наружу, гравитационно рассеивал объекты пояса, захватывая часть из них в резонансы и выбрасывая другие во внешние области. Этот процесс привёл к формированию рассеянного диска и современной динамической структуры пояса.

Значение для науки

Источник комет

Пояс Койпера является основным источником короткопериодических комет (с периодом обращения менее 200 лет). К ним относятся кометы семейства Юпитера, такие как комета Галлея. При гравитационных возмущениях объекты пояса могут смещаться внутрь Солнечной системы, становясь кометами.

Изучение ранней Солнечной системы

Объекты Пояса Койпера представляют собой наименее изменённые остатки протопланетного диска. Их химический состав и орбитальные характеристики позволяют учёным реконструировать условия в ранней Солнечной системе. Исследования показывают, что эти тела содержат значительное количество летучих веществ, что указывает на их формирование при низких температурах.

Миссии к объектам пояса

Единственной космической миссией, непосредственно исследовавшей объект Пояса Койпера, стала New Horizons (НАСА). Станция пролетела мимо Плутона 14 июля 2015 года, передав детальные снимки его поверхности и спутников. 1 января 2019 года аппарат совершил пролёт мимо объекта 2014 MU69 (Аррокот), самого далёкого из посещённых космическими аппаратами тел Солнечной системы. Миссия позволила получить уникальные данные о геологии, составе и атмосфере объектов пояса.

Критика и спорные вопросы

Границы пояса

До сих пор не существует единого мнения о точных границах Пояса Койпера. Некоторые исследователи относят к нему объекты до 50 а. е., другие включают рассеянный диск до 100 а. е. Отсутствие чёткой внешней границы связано с постепенным уменьшением плотности объектов и переходом в облако Оорта.

Статус Плутона

Переклассификация Плутона в 2006 году вызвала дискуссии в научном сообществе и среди общественности. Часть астрономов считает, что определение планеты, принятое МАС, является произвольным, и Плутон заслуживает статуса планеты. Однако большинство специалистов поддерживает решение, основанное на том, что Плутон не доминирует на своей орбите (в его окрестностях находятся множество других объектов сравнимого размера).

Гипотеза о девятой планете

В 2014 году астрономы Чедвик Трухильо и Скотт Шеппард выдвинули гипотезу о существовании массивной планеты (так называемая «Планета X» или «Девятая планета») на расстоянии 200–800 а. е. от Солнца. Эта гипотеза основана на необычном группировании орбит нескольких далёких объектов Пояса Койпера. Однако прямых наблюдений такой планеты пока не получено, и её существование остаётся предметом дискуссий.

Будущие исследования

Новые телескопы

Запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) в 2021 году открыл новые возможности для изучения Пояса Койпера. JWST способен проводить спектроскопию поверхности объектов в инфракрасном диапазоне, что позволяет определять их химический состав с высокой точностью. Планируется, что телескоп будет наблюдать несколько десятков крупных объектов пояса.

Планируемые миссии

В стадии разработки находятся несколько миссий к объектам Пояса Койпера:

• Lucy (НАСА, запуск 2021) — миссия к троянским астероидам Юпитера, которая может получить данные о транснептуновых объектах.
• Interstellar Probe (концептуальная миссия) — проект отправки зонда за пределы гелиосферы с пролётом через Пояс Койпера.

Источники

1. Джуитт Д., Лу Дж. «Открытие первого транснептунового объекта». The Astronomical Journal, 1993.
2. Морбиделли А., Левисон Г. «Модель Ниццы: эволюция Солнечной системы». Icarus, 2005.
3. Стерн А., Уивер Х. «Миссия New Horizons к Плутону и Поясу Койпера». Space Science Reviews, 2008.
4. Браун М. «Как я убил Плутон и почему это было неизбежно». Random House, 2010.
5. Трухильо Ч., Шеппард С. «Доказательства существования далёкой массивной планеты». The Astronomical Journal, 2014.
6. Гладман Б. и др. «Пояс Койпера: структура и динамика». Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2001.