Из всей бескрайней Вселенной наиболее изучена наша родная Солнечная система – совокупность 8 планет и других космических объектов, вращающихся вокруг центральной звезды Солнца.
Однако в космосе нет чётких границ, где заканчивается одна система и начинается другая. Но что можно назвать крайним рубежом нашей Солнечной системы? Как выглядит настоящий край света и достигали ли земные космические аппараты этой границы?
Орбита рассеянного диска
По терминологии Солнечная система – это 8 полноценных планет и транснептуновые объекты (всё, что находится за орбитой Нептуна). До Нептуна расстояние 30 астрономических единиц (а.е.) или 4.5 миллиарда километров.
Область после Нептуна называют поясом Койпера. Внешне он похож на пояс астероидов, только в несколько раз шире и массивнее. Они остались после формирования планет и вытеснены гравитацией на задворки системы. Здесь обитают 4 карликовые планеты (Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида), квазиспутники и множество астероидов.
За поясом Койпера расположен рассеянный диск из ледяных осколков. В целом, чем дальше мы будет углубляться в космос, тем меньше по размеру будут частицы. Орбита рассеянного диска достигает 100 а.е. или 15 миллиардов км. Это материальная граница Солнечной системы, дальше никаких объектов нет.
Если включить в состав системы пространство, на которое воздействует Солнце, то границы значительно раздвинутся.
Солнечный ветер – поток плазмы, которой выстреливает наша звезда со скоростью 1200 км/с. По мере удаления скорость ветра уменьшается. Рубеж, на котором давление ветра уравновешивается с давлением межзвездной среды – гелиопаузой.
Граница, где поток плазмы окончательно останавливается – головная ударная волна. По разным оценкам, это территория расположена в 130-230 а.е. от Солнца. Это и есть граница Солнечной системы
Добирались ли космические аппараты до рубежей гелиосферы?
Как это не удивительно, в 119 а.е. от Солнца блуждает американский аппарат Вояджер-1, запущенный в космос еще в 1977 году. Аппарат до сих пор в рабочем состоянии и собирает данные о космическом пространстве. И хотя вокруг не осталось объектов, Вояджер до сих пор не покинул границы Солнечной системы и сделает это лишь через много лет.
А вот и планета Х: Астроном рассмотрел снимки 1983 года и нашёл загадочный объект на краю Солнечной системы
Расчёты показывают, что небесное тело как минимум втрое тяжелее Земли и находится в пять раз дальше от Солнца, чем Плутон.
Как возникла идея планеты Х
На самом деле в космосе что-то находят благодаря одному общему закону: ничто не находится в пространстве, так сказать, само по себе. Во всяком случае, если речь идёт об обычной, видимой, осязаемой материи, которой, правда, весьма немного, примерно 4%. Так вот, в той скромной части Вселенной, о которой мы хоть что-то понимаем, всё взаимосвязано, всё друг на друга влияет. И если, скажем, Юпитер Галилей открыл, когда увидел его в телескоп (собственно, эта планета видна с Земли невооружённым глазом как яркая звезда), то Нептун — планета, которую математик Урбен Леверье «увидел» в своей голове. Он её вычислил. Хотя Галилей тоже видел Нептун в телескоп, но принимал его за звезду. А Леверье изучил орбиту Урана и обнаружил, что планета движется не так, как должна, её что-то периодически отклоняет.
Потом по точно такому же принципу искали Плутон, то есть Нептуна не хватило, чтобы объяснить странное поведение Урана. Так в начале XX века стартовал проект по поиску планеты Х. Астроном Персиваль Лоуэлл подсчитал, что помимо Нептуна на Уран должна влиять планета в пять раз тяжелее Земли и находиться она должна примерно в 45 астрономических единицах от Солнца. Это значит, в 45 раз дальше от Солнца, чем Земля. Астрономическая единица — это расстояние между Землёй и Солнцем (150 миллионов километров).
В смысле расстояния Лоуэлл оказался близок к истине: Плутон находится в 40 астрономических единицах. Но по поводу массы абсолютная неувязка — он слишком мал. И эта интрига сохранялась долгие десятилетия.
Как планету Х чуть не нашли
В 1983 году вышла сенсационная новость о том, что планету Х нашли. Предполагаемое открытие было основано на данных инфракрасной космической обсерватории IRAS. Телескоп проработал десять месяцев, обозрел 98% неба и зафиксировал всё, что излучает тепло. По мере своих возможностей, естественно.
В общей сложности получилось 250 с лишним тысяч точечных источников, и среди них оказалось то, что, по одной из версий, является планетой размером с Юпитер, расположенной в 80 триллионах километров от Земли. Это что же получается, в 13 тысяч раз дальше Плутона (до него от нас 5,7 миллиарда километров)? Тем не менее в глазах астрофизиков это не так уж далеко.
— Если она действительно так близко, это была бы часть нашей Солнечной системы, — сказал тогда участник исследований с помощью IRAS учёный из Корнеллского университета Джеймс Хоук.
— Всё, что я могу вам сказать, — это то, что мы не знаем, что это такое, — заявил, в свою очередь, профессор Джерри Нойгебауэр из Лаборатории реактивного движения, директор Паломарской обсерватории.
Через несколько лет открытие опровергли. Во-первых, в 1989 году Нептун заново «взвесил» зонд «Вояджер-2», и обнаружилось, что газовая планета на полпроцента легче, чем считали раньше, а эти полпроцента сопоставимы с массой Марса. Из-за этого пришлось перерасчитывать взаимное влияние Урана и Нептуна и участие во всём этом Плутона. Тогда пришли к выводу, что теперь без всякой планеты Х всё гармонично и уравновешенно.
А во-вторых, данными IRAS заинтересовался астроном Майкл Роуэн-Робинсон из Имперского колледжа Лондона. В 1991 году он выступил с докладом и заявил, что выводы по поводу планеты Х — чистое недоразумение и что он на 70% уверен, что такой планеты не существует. Но разговор на этом отнюдь не закончился.
Новые поиски планеты X
Что характерно: вплоть до Нептуна все планеты — с круглыми орбитами, которые находятся в одной плоскости (плоскости эклиптики). А у Плутона она уже вытянута и расположена под внушительным углом.
В 2000-х годах за Нептуном стали один за одним находить многочисленные объекты, по размерам и массе вполне сравнимые с Плутоном: Эриду, Седну, Хаумеа, Макемаке и так далее. Именно тогда оказалось, что у астрономии теперь два пути: либо все их тоже считать планетами, либо принести в жертву статус Плутона. Но дело сейчас не в этом, а в том, что у них орбиты тоже сильно наклонённые и вытянутые. Почему, спрашивается, маленькие гордые птички так отрываются от коллектива? И это один вопрос. А второй — самый интересный. Дело в том, что если взять определённое количество этих транснептуновых объектов, то окажется, что у них орбиты не просто вытянуты — они вытянуты примерно в одном направлении.
Именно это в 2016 году привело учёных из Калифорнийского технологического института (Caltech) Майкла Брауна и Константина Батыгина к поразительному выводу: все эти маленькие планетки именно так бы и расположились при наличии в тех краях мира в десять раз массивнее Земли. Орбита этой планеты, по их расчётам, должна быть вытянута в противоположном направлении по отношению к транснептуновой мелочи. В ближней к Солнцу точке (в перигее) она должна подлетать на расстояние 200 астрономических единиц, это в пять раз дальше Плутона, а в самой дальней (в апогее) она будет в 600, а то и в 1200 астрономических единицах. И полный оборот вокруг нашей звезды у неё должен занимать около 20 тысяч лет. Батыгин и Браун даже вычислили примерные размеры планеты: по их мнению, это нечто среднее между Юпитером и Землёй.
То есть уже не первый раз появляются математические подозрения, что там что-то есть. Требуется самое главное — засечь движущийся объект, который хотя бы примерно подходит под ожидаемые параметры.
После этого вышеупомянутый Майкл Роуэн-Робинсон (который сказал, что планеты Х нет) решил заново пересмотреть снимки, сделанные в 1983 году телескопом IRAS. В своей опубликованной по итогам статье он подчёркивает, что по-прежнему считает тогдашнюю сенсацию ошибкой и тем не менее ему удалось обнаружить кое-что если не сенсационное, то очень любопытное. А именно целых три объекта, которые годятся как потенциальные кандидаты в планету Х. Учёный сообщает, что они видны на четырёх снимках, сделанных в июне, июле и сентябре 1983-го. Но не все одновременно: например, первые два прослеживаются в июне и июле, а третий только в сентябре. Отмечается, что сочетание обнаружений и «необнаружений» позволяет предположить наличие медленно движущегося объекта. Объект этот, по Роуэну-Робинсону, представляется таким: размер (радиус) — как минимум в полтора, а то и в пять раз больше земного, масса — в три-пять Земель, расстояние — 225 астрономических единиц от нас, период обращения — 20 тысяч лет. В общем-то, весьма похоже на то, что подозревают Браун и Батыгин.
Есть доводы против. Первое — объекты находятся близко к плоскости галактики, там очень много облаков звёздной пыли, от которых идёт инфракрасный свет. То есть имеются некие опасения, что это не планета, а галактическое облако.
И второе — больше ни в какие телескопы ничего подобного пока не увидели. К примеру, астроном изучил данные за пять лет наблюдений (с 2009 по 2014 г.) с помощью системы телескопов Pan-STARRS на Гавайях. По его мнению, конкретно в данном случае они больше всего могли бы помочь. Но, к сожалению, ничего интересного найти не удалось. Впрочем, учёный считает, что точка не поставлена: возможно, стоит организовать более масштабные поиски. А кроме того, стоит сказать, что Pan-STARRS обозревает лишь три четверти всего неба. Это очень много, но не всё.
На данный момент астрономы хорошо изучили внутреннюю область нашей Солнечной системы, а вот что находится на ее окраине — до сих пор точно не известно. Эта область стала для ученых источником сенсационных открытий, за последние десятилетия в ней обнаружили ряд довольно значительных по размеру космических объектов.
Знакомьтесь: пояс Койпера!
Пояс Койпера иногда называют границей нашей Солнечной системы, хотя это не так. А вот то, что он находится на ее окраине, не вызывает сомнения. Никто не искал специально этот «пояс» и не предсказывал его обнаружение. Были только предположения, что на самом краю Солнечной системы могут находиться еще не открытые объекты. В 1943 году ирландец Кеннет Эджворт в своей статье написал: «Возможно, есть какие-то небесные тела на краю Солнечной системы, которые слишком тусклые, чтобы мы их увидели, и, возможно, они относятся к кометам». Это предположение не было чем-то научно обосновано, но, можно сказать, попало в цель.
Гораздо более известно предположение американского астронома голландского происхождения Жерарда Койпера. В 1951 году в своей работе он отметил странность того факта, что Плутон является границей Солнечной системы, и предположил ее продолжение после него. Также он заявил: «Если бы на границе Солнечной системы были маленькие объекты, гравитация Плутона (который мы считаем таким же массивным небесным телом, как Земля, или больше) давным-давно дестабилизировала бы орбиты этих объектов, а этот регион был бы пуст».
Койпер ошибался насчет Плутона, его масса составляет только 0,2% массы Земли, поэтому особо сильного воздействия на окружающие его небесные тела он не оказывает. Любопытно, что Койпер в какой-то мере отрицал наличие того, что потом назвали поясом Койпера, хотя некоторые считают, что, наоборот, он его предсказал. Первооткрывателем пояса стал астроном Дэвид Джевитт. В 1992 году за известными тогда пределами Солнечной системы ученый обнаружил объект 1992 QB1. Прошло пять лет, за это время он нашел еще более сорока таких объектов. К середине 2016 года их число возросло до 2 тысяч. Область, где были найдены эти объекты, назвали поясом Койпера.
Как мы видим, его открыли сравнительно недавно, поэтому многие параметры этой области еще неизвестны. Вот признание одного из ученых: «Мы не знаем, что происходит на наружном крае пояса Койпера и где он находится, но мы знаем, что он очень далеко: некоторые открытые объекты пояса Койпера имеют необычные орбиты, которые в 2000 раз больше, чем расстояние между Землей и Солнцем». Пояс Койпера простирается на расстоянии от 30 до 50 а. е. (а. е. — астрономическая единица — 150 млн км) от Солнца.
Сейчас считают, что пояс Койпера является областью реликтов времен образования Солнечной системы. Главным образом он состоит из малых тел, хотя многие из крупнейших объектов пояса после уточнения их параметров могут получить статус карликовых планет. По прикидке ученых, более 100 тысяч объектов пояса Койпера имеют диаметр больше 50 км, многие из них обладают спутниками. Здесь рождаются и короткопериодические кометы. Пока трудно сказать, сколько объектов содержит пояс, по мнению астрономов, их может быть сотни тысяч плюс огромное множество комет.
Плутон и его космическое семейство
Еще в начале 2000-х Нейл Тайсон, директор планетария Американского музея естественной истории, не считал Плутон планетой. Он говорил: «Плутон, наполовину состоящий изо льда, должен по праву занять трон короля пояса Койпера». Кончилось тем, что Плутон на самом деле в 2006 году исключили из числа планет, и теперь их у нас восемь, а не девять. Основной причиной исключения Плутона из семейства планет стал его небольшой размер, диаметр этого космического тела всего 2376,6 км. Кроме этого, размер Плутона меньше 7 спутников-лун других планет. У Плутона есть свой спутник Харон, почти сходный с ним по размеру. Они так сильно влияют друг на друга, что ученые определили их как «двойную планету». Вокруг Плутона и Харона обращаются четыре спутника — Никта, Гидра, Кербер и Стикс.
После открытия ряда объектов в поясе Койпера выяснилось, что Плутон почти неотличим от них. Если абстрагироваться от размера, реальным отличием является только отражательная способность Плутона, которая делает его гораздо ярче других объектов. Теперь Плутон относится к транснептуновым объектам и считается карликовой планетой, так же как Церера, Хаумеа, Макемаке и Эрида. В будущем к этому семейству могут присоединиться Седна, Орк и Квавар. Не исключается вариант, что и спутник Плутона Харон будет переклассифицирован в карликовую планету.
Эрида была открыта 5 января 2005 года группой американских астрономов во главе с Майклом Брауном. Какое-то время это космическое тело даже претендовало на статус десятой планеты Солнечной системы. Открытие Эриды, которая долгое время считалась крупнее Плутона, и подтолкнуло к исключению последнего из числа планет. Однако с помощью данных, полученных с АМС «Новые горизонты», выяснилось, что Плутон все же немного больше Эриды и пока является самым крупным из транснептуновых объектов.
Среднее расстояние Эриды от Солнца составляет 68,05 а. е. (10,18 млрд км). Период обращения Эриды вокруг Солнца — 561 год. Ее диаметр составляет 2326±12 км. На поверхности карликовой планеты лежит метановый снег, в котором присутствует примесь азотного льда, доля которого растёт с глубиной. У Эриды есть спутник Дисномия, который обращается на расстоянии 37 тыс. км от нее, затрачивая на полный оборот около 16 земных суток. На данный момент Эрида занимает по размеру второе место среди карликовых планет после Плутона.
Квавар (2002 LM60) диаметром около 1300 км является одним из крупнейших объектов пояса Койпера. Впервые его удалось сфотографировать еще в 1980 году. Однако к семейству транснептуновых тел его причислили только в 2002 году. Он обращается на орбите диаметром около 42 а. е. с периодом 288 лет. Состоит из камня и водяного льда. У Квавара есть спутник Вейвот 100 км в диаметре. Довольно необычное название Квавар взято из мифологии народа тонгва, некогда проживавшего на территории нынешнего Лос-Анджелеса, и означает великую созидательную силу.
Макемаке — третья по величине (после Плутона и Эриды) карликовая планета, почти 1500 километров в диаметре. Была открыта в 2005 году американскими астрономами. Год на Макемаке длится как 306 земных. Ее поверхность покрыта метановым снегом и льдом.
27 апреля 2016 года с помощью телескопа «Хаббл» у этой карликовой планеты был обнаружен спутник. Эта темная луна отражает столь незначительное количество света, что ее очень долго не могли заметить.
Хаумеа — довольно необычная карликовая планета. Она и ее две маленькие луны, Хииака и Намака кружатся в пространстве с невероятной скоростью (один оборот вокруг оси за 4 часа). Полагают, что за счет такого стремительного вращения Хаумеа имеет сильно вытянутую форму и напоминает мяч для регби.
Мы перечислили далеко не все уже открытые в поясе Койпера объекты. Он содержит столь значительное количество космических тел, что со временем «семейство» Плутона обязательно обзаведется новыми членами. Кто знает, может, один из них даже превзойдет по размеру бывшую девятую планету?
«Облако» из ледяных объектов
Пояс Койпера — это еще не край Солнечной системы, за ним располагается облако Оорта, гораздо более глобальное образование. Еще в 1950 году нидерландский астроном Ян Оорт высказал предположение, что источником так называемых долгопериодических комет, изредка появляющихся во внутренней части Солнечной системы, является протяженная сферическая оболочка, состоящая из ледяных тел. Она находится на окраинах Солнечной системы и простирается в сфере, радиусом от 5 000 до 100 000 а. е. Вот этот огромный «рой», в котором миллиарды ледяных объектов, и называют облаком Оорта.
Иногда под влиянием внешних сил происходит нарушение орбиты одного из тел этого облака и оно направляется во внутреннюю часть Солнечной системы как долгопериодическая комета. У таких комет очень протяженная и вытянутая орбита, поэтому их обычно наблюдают всего один раз. А вот короткопериодические кометы с периодом обращения менее 200 лет прилетают к нам из пояса Койпера. По предположению ученых, объекты, составляющие облако Оорта, когда-то сформировались рядом с Солнцем и оказались рассеяны гравитационными воздействиями планет-гигантов на окраине Солнечной системы на раннем этапе ее развития.
Полагают, что наибольшую плотность облако Оорта имеет в плоскости эклиптики, где сосредоточена примерно одна шестая всех составляющих его объектов. Считается, что пространство, находящееся за облаком Оорта, к Солнечной системе уже не относится. Есть гипотеза о том, что у внутренней границы облака Оорта (30 тысяч а. е.) может находиться внушительная по размеру планета — газовый гигант Тюхе. Не исключают и возможность наличия в облаке других планет.
«Вояджер-2» показал, как устроена граница Солнечной системы
Американский космический аппарат «Вояджер-2» теперь уже официально покинул пределы Солнечной системы. Сделав тщательный анализ данных, ученые подтвердили, что, как и его предшественник «Вояджер-1», «Вояджер-2» в настоящее время оказался вне так называемой гелиопаузы, своеобразного «щита», состоящего из заряженных частиц и магнитного поля, созданных Солнцем, и движется в межзвездном пространстве прочь от Солнца.
Американские астрономы опубликовали сразу пять научных статей в журнале Nature Astronomy, подтверждающие, что «Вояджер-2» покинул пределы Солнечной системы 5 ноября 2018 года,
когда расстояние от него до Солнца составляло 119 астрономических единиц (расстояний от Земли до Солнца) или 17,8 млрд километров.
Каждая из пяти статей детализирует результаты пяти научных приборов, остающихся работающими на борту зонда: датчик магнитного поля, два инструмента для регистрации высокоэнергетических частиц и два прибора для изучения космической плазмы. Все эти данные помогли построить полную картину области пространства, где заканчивается физическое влияние Солнца и начинается межзвездная среда.
Гелиосфера, окружающая Солнечную систему, чем-то напоминает корабль, движущийся в межзвездной среде, она поджата в направлении собственного движения. И сама гелиосфера, и межзвездная среда заполнены плазмой – атомами, лишенными электронов. Правда, плазма внутри гелиосферы более горячая и рассеянная, плазма вне нее более холодная и плотная. В межзвездном пространстве также распространяются космические лучи из заряженных частиц, ускоренных до высоких энергий. Ранее результаты «Вояджера-1» показали, что гелиосфера защищает Землю от 70% этого губительного излучения.
Когда «Вояджер-2» покинул Солнечную систему, два его прибора показали неожиданные результаты – количество «солнечных» заряженных частиц резко упало, а число межзвездных частиц, имеющих более высокие энергии, возросло.
В этот момент и стало ясно, что аппарат действительно вышел в межзвездное пространство.
«Вояджер-1» первым покинул пределы Солнечной системы в 2012 году, до этого ученые не знали, как далеко от Солнца находится эта граница. Оба аппарата покинули Солнечную систему, двигаясь в разных направлениях, и в разное время 11-летнего солнечного цикла, в течение которого наша звезда испытывает высокие и низкие периоды активности. Ученые подозревали, что гелиопауза, находящаяся на границе гелиосферы и межзвездного пространства, может двигаться в такт Солнечной активности подобно легкому, которое то сдувается, до набирает объем. С этим по-видимому и связано то, что оба аппарата пересекли границу на разных расстояниях от Солнца.
Плазма
В настоящее время оба зонда подтвердили, что летят в плазме, куда более холодной и плотной, чем ранее. В 2012 году «Вояджер-1» заметил, что сразу после пересечения границы несмотря на снижение этого параметра плотность плазмы была слегка выше предполагаемой, это указывало на то, что плазма в этой области чем-то сжимается. Аналогичный эффект заметили и приборы «Вояджера-2» — ученые пока не полностью понимают механизм этого явления.
Утечка частиц
Один из приборов второго «Вояджера» уловил небольшой поток заряженных частиц, прорывающихся сквозь гелиосферу из Солнечной системы в межзвездную среду. Первый зонд таких утечек не фиксировал, ученые связывают различия в том, что оба аппарата пересекают границу в разных направлениях, и место пролета второго «Вояджера» оказалось более «пористым».
Магнитная аномалия
Данные с «Вояджера-2» подтвердили неожиданные результаты, показанные его предшественником семь лет назад: линии магнитного поля за границей гелиопаузы параллельны силовым линиям внутри гелиосферы. Имея данные лишь с одного аппарата ученые не могли подтвердить, является ли эта особенность правилом для всей Солнечной системы, или линии совпали случайно. Теперь же данные с обоих зондов позволяют утверждать, что такое расположение линий магнитного поля закономерно для всей границы Солнечной системы.
Учёный обнаружил неизвестное космическое тело, расположенное на краю Солнечной системы
В начале XX столетия был запущен проект, направленный на поиск некой планеты X. Как отметил астроном Персиваль Лоуэлл, на Уран должна оказывать влияние ещё одна планета (кроме Нептуна). Эта планета, как предполагалось, тяжелее Земли в пять раз и находится в 45 раз дальше от Солнца, нежели Земля. В дальнейшем выяснилось, что объект на самом деле в 40 раз дальше от Солнца. А вот по поводу массы учёные долго не могли найти ответ.
Планету X в итоге нашли в 1983 году. Однако уже спустя несколько лет данное открытие опровергли. Связано это было с изменениями данных о планете: она оказалась на 0,5 легче, чем считалось до этого, что можно сопоставить с массой Марса. В итоге исследователи пришли к выводу, что на самом деле всё гармонично и без ещё одной планеты. Кроме того, астроном Майкл Роуэн-Робинсон из Имперского колледжа Лондона в 1991 году заявил, что названной планеты X не существует вообще.
Однако затем в 2000-х годах учёные начали обнаруживать за Нептуном различные объекты, имеющие массу, схожую с массой Плутона: это Эрида, Седна, Хаумеа, Макемаке и пр. И в итоге возникло два вопроса: почему эти планеты находятся вдалеке от остальных и почему орбиты у них вытянуты в одном определённом направлении.
В 2016 году исследователи из Калифорнийского технологического института Майкл Браун и Константин Батыгин предположили, что все небесные тела могли так расположиться в том случае, если бы в той стороне существовала планета, которая в десять раз тяжелее Земли. Они также рассчитали примерные размеры объекта: он оказался, по мнению учёных, чем-то средним между Землёй и Юпитером.
