За краем Ойкумены

Тигран Оганесян
8 декабря 2003, 00:00

Чтобы наконец узнать, сколько все-таки планет в Солнечной системе и откуда берутся кометы, придется отправить зонды к поясу Купера - окрестностям орбиты Плутона

Большинство из нас, с той или иной степенью прилежности освоивших в старших классах школы азы астрономии, пребывает в уверенности, что накопленные учеными знания о родной Солнечной системе в общем и целом можно считать устоявшимися. Конечно же, остается еще целый ряд нерешенных вопросов (например, есть ли жизнь на Марсе или на спутнике Юпитера Европе, сколько нам осталось ждать до фатального столкновения с крупным астероидом, как связана активность Солнца с изменениями климата на Земле и т. п.), хотя основной массив научных данных о ближайших окрестностях Вселенной, казалось бы, кристаллизовался еще пару-тройку десятилетий назад.

Но зададим элементарнейший вроде бы вопрос: сколько всего планет в Солнечной системе? Почесав в затылке, хорошисты и отличники дружно скажут "девять". И, будучи проэкзаменованными строгими служителями научной истины, большинством голосов получат "незачет".

Если же экзаменаторы захотят полностью запутать школьных всезнаек, то им достаточно будет поинтересоваться, откуда к нам в Солнечную систему прилетают кометы и куда они исчезают (до следующего появления)? Ничего вразумительного в ответ услышать, конечно, не удастся, но, справедливости ради, надо сказать, что и сами экзаменаторы на этот вопрос не ответят.

А что следует считать границей Солнечной системы? А на каком расстоянии от нашего светила начинается "космическая пустота"?

Бог с ней, с "темной материей"

В общем, уже при самом поверхностном знакомстве с современной астрофизикой возникает нехорошее ощущение, что, слишком увлекшись изящными спекуляциями по поводу того, сколько вещества во Вселенной приходится на долю таинственной "темной материи" и "совсем уж темной энергии", где и когда Вселенная началась и когда наступит ее "схлоп", знатоки космоса пока не очень разобрались с тем, что находится у них прямо под носом.

Заполнить многочисленные пробелы в наших знаниях о Солнечной системе без использования межпланетных зондов сегодня невозможно. Современные космические аппараты достигают периферии Солнечной системы за двадцать лет - срок по космическим меркам смешной. Однако для политиков, отвечающих за выделение бюджетных средств на дорогостоящие экспедиции (речь идет, прежде всего, об американских политиках, ведь именно США в течение последних пятнадцати лет выступают главными донорами подобных проектов), оперирование подобными сроками - непозволительная роскошь. И даже самые важные с точки зрения научного сообщества статьи расходов (например, поддержание в рабочем состоянии международной космической станции) регулярно подвергаются секвестированию, а то и вовсе "вычеркиваются" до лучших бюджетных времен.

Один из типичных примеров - история с отправкой американского межпланетного космического зонда к Плутону и за пределы его орбиты, в зону "пояса Купера". Ведущие мировые специалисты в области космологии и астрофизики сходятся во мнении, что успешное осуществление этого проекта поможет найти ответы на большинство из перечисленных выше "экзаменационных вопросов" о Солнечной системе. И мы узнаем наконец, сколько же в Солнечной системе планет.

Планета-отщепенец

К концу ХХ века у астрофизиков возникли очень большие сомнения: можно ли вообще считать Плутон планетой?

Девятая планета Солнечной системы, Плутон, была официально открыта в марте 1930 года молодым ассистентом Флагстафской обсерватории Клайдом Томбо. Это стало итогом нескольких десятилетий упорных поисков планеты Х. Неизвестная планета на расстоянии 50-100 астрономических единиц от Солнца (1 астрономическая единица - 149,6 млн км - среднее расстояние от Земли до Солнца) должна оказывать дополнительное влияние на наблюдаемые пертурбации орбиты Урана, не объяснимые одним лишь фактором Нептуна (восьмая планета, Нептун, была открыта, что называется, "на кончике пера" в середине 40-х годов XIX века независимо друг от друга Урбеном Леверье и Джоном Адамсом).

Но, как показали дальнейшие расчеты, незначительная масса Плутона (примерно в 500 раз меньше массы Земли) не позволяет ему существенно влиять на орбиты соседних планет. Более того, к концу ХХ века у астрофизиков возникли очень большие сомнения и относительно того, можно ли вообще считать Плутон планетой.

У Плутона целый ряд "нестандартных" характеристик (параметры орбиты, ее сильный наклон к плоскости эклиптики), а размеры спутника Плутона, Харона, открытого в 1978 году, до неприличия велики по отношению к размерам "хозяина". Диаметр Харона составляет примерно 1200 км, то есть примерно половину диаметра самого Плутона - 2370 км. Спутник оказывает настолько серьезное влияние на орбиту Плутона, что многие ученые склоняются к тому, чтобы считать систему Плутон-Харон бинарной планетной системой (любопытно, что период обращения Харона вокруг Плутона в точности равен периоду вращения Плутона вокруг своей оси, поэтому Харон постоянно находится над одной и той же точкой поверхности Плутона).

Все эти факты и привели к возникновению гипотезы, что Плутон и его спутник Харон - "продукты" загадочного пояса Купера, пограничной зоны Солнечной системы, кишащей остатками первичного протопланетного материала, который так и не был использован для образования настоящих планет.

Новую силу этой гипотезе придали результаты исследования крупнейшего спутника Нептуна - Тритона, которое было проведено в 1989 году с помощью космического зонда "Вояджер-2", единственного достигшего этой планеты. В результате анализа полученных данных ученые пришли к выводу, что основные характеристики (размер, масса, химический состав) Тритона очень близки к характеристикам Плутона. И в 1991 году один из крупнейших специалистов в области планетарной астрофизики Алан Стерн предложил новую версию происхождения Плутона, Харона и Тритона - все они, возможно, были вырваны из пояса Купера Нептуном.

Головоломка Эджворта-Купера

Старт в январе 2006 года - оптимальный вариант для сокращения времени полета зонда к Плутону и поясу Купера. К тому же аппарат в этом случае успеет изучить особенности плутоновской осени (позднее поверхность планеты покроется толстой коркой инея)

Предположение, что в Солнечной системе за пределами орбит Нептуна и Плутона (от 30 до 100 астрономических единиц от Солнца) может существовать протяженный пояс малых небесных тел, было высказано еще в середине 40-х годов прошлого века Кеннетом Эджвортом. В начале 50-х его идеи развил Джерард Купер. Эджворт и Купер полагали, что населяют этот пояс главным образом небесные тела с эллиптической орбитой, у которых время полного обращения вокруг Солнца составляет менее ста лет - кометы с "коротким" периодом.

Гипотеза Эджворта-Купера ждала своего признания более сорока лет. Лишь в августе 1992 года Дэвид Джуитт и Джейн Лу из Гарвард-Смитсонианского центра астрофизики наконец сообщили о первом обнаруженном экземпляре ("1992 QB1") размером 200-250 км в поперечнике, находящемся на расстоянии 40 астрономических единиц от Солнца.

В марте 1993 года найдено второе небесное тело, к 1996-му в поясе Купера (теперь он называется так) обнаружили 32 объекта, а сегодня ученым известно уже около тысячи.

Все объекты пояса Купера очень тусклые, что существенно затрудняет процесс их поиска. Например, свечение (отражение света) одного из самых ярких и крупных из известных объектов пояса Купера - Варуны (с диаметром около 900 км) более чем в сто раз слабее, чем у Плутона.

В июне 2002 года Чад Трухильо и Майк Браун из Калифорнийского технологического института обнаружили еще более крупный объект пояса Купера с диаметром 1250 км. Этот объект, вращающийся вокруг Солнца по практически идеальной (в отличие от того же Плутона) круговой орбите с радиусом 6,3 млрд км, был назван Кваоаром в честь бога-творца индейского племени тонгва. Кваоар - очень темное небесное тело, отражающее только около 10% солнечного света (Плутон, периодически приближающийся к Солнцу на "нептуновское" расстояние, способен отражать до 60%). В настоящее время он находится примерно на один миллиард километров дальше от нас, чем Плутон и, таким образом, пока считается самым удаленным планетообразным объектом в Солнечной системе, сфотографированным оптическим телескопом.

Однако, несмотря на обилие недавних открытий в поясе Купера, ученые до сих пор не могут объяснить, почему совокупная масса этих объектов, которая (по текущим данным телескопических наблюдений) едва ли превышает одну десятую массы Земли, столь существенно не дотягивает до теоретически заявленного Эджвортом и Купером уровня в десять земных масс?

Самая свежая версия, претендующая на окончательное решение этого вопроса, была недавно предложена Харолдом Левисоном из американского Юго-Западного исследовательского института (SwRI) и Алессандро Морбиделли из французской Обсерватории Лазурного Берега.

Левисон и Морбиделли утверждают, что все объекты, составляющие пояс Купера, на раннем этапе развития Солнечной системы находились значительно ближе к Солнцу. А отброшенными к своей теперешней зоне обитания они оказались намного позднее, чем предполагали Эджворт и Купер. Соответственно, транс-нептуновский регион, занятый в настоящее время "куперовскими" объектами, ранее был абсолютно пустым. Граница же протопланетного газопылевого диска, из которого впоследствии образовались планеты, астероиды и кометы Солнечной системы, как раз и находилась тогда примерно на расстоянии орбиты Нептуна.

Впрочем, как честно признается Харолд Левисон, один из авторов новой гипотезы, "на самом деле мы не разрешили проблему с нехваткой массы, а обошли ее".

История одного проекта

О необходимости подготовки экспедиции к Плутону и поясу Купера в США заговорили еще в конце 80-х. Все последующее десятилетие чиновники NASA занимались расчетами финансовых затрат, потребных для сооружения экономичного космического аппарата, оснащенного более совершенными ракетными двигателями. Закончилось тем, что к 2000 году предполагаемая стоимость экспедиции превзошла все первоначально отведенные для нее лимиты, и проект Pluto-Kuiper Express был тихо отправлен в долгий ящик.

На защиту важнейшего научного эксперимента встала научная общественность США (к лоббированию проекта подключены были даже американские школьники, бомбардировавшие NASA письмами с требованием вернуть его "на доработку"). Не выдержав этого давления, уже в следующем, 2001-м, году NASA пошло на попятную, и в новой межпланетной исследовательской программе агентства New Frontiers основной упор снова был сделан на экспедицию к Плутону (при этом она почему-то переименована в "миссию New Horizons").

В июле 2002 года Национальный исследовательский совет (совещательный орган при NASA из ведущих представителей университетской науки США) в специальном докладе признал возрожденную к жизни миссию New Horizons "самой приоритетной в области планетарных наук". Приняв эту рекомендацию к сведению, чиновники NASA наконец окончательно перевели полет к Плутону в разряд бюджетных и в текущем 2003 году добились от сената выделения на него первоначально 110 млн долларов (президент Буш официально утвердил это решение 20 февраля 2003 года).

Но финансовые приключения проекта экспедиции на край Солнечной системы на этом не закончились. Очередные 130 млн долларов, заложенных в бюджете NASA-2004 на дальнейшие расходы в рамках программы New Horizons, почему-то сильно не понравились палате представителей США (сенат же, где, судя по всему, влияние американского научного лобби более ощутимо, представленную агентством смету по New Horizons поддержал). В октябре конгрессмены предложили NASA урезать эту сумму на 55 млн, тем самым вновь поставив под сомнение перспективы экспедиции, старт которой запланирован на январь 2006 года.

Между тем строгое соблюдение намеченного срока - важнейшее условие успешной реализации проекта New Horizons: по расчетам специалистов, именно январь 2006 года - оптимальное время для запуска. В этом случае длительность полета космического зонда к Плутону и поясу Купера существенно сокращается: по расчетной траектории зонд должен в феврале-марте 2007 года пройти в непосредственной близости от Юпитера, и мощное гравитационное поле этой планеты-гиганта придаст аппарату дополнительное ускорение, которое сократит время полета на три года.

Есть и еще одно соображение, повлиявшее на выбор времени старта. Период обращения Плутона вокруг Солнца - около 248 земных лет, минимальное расстояние от Солнца - 4425 млн км, а максимальное - 7375 млн км. Начиная с 1989 года Плутон постепенно удаляется от Солнца. Ученые предполагают, что ко времени подлета зонда New Horizons к планете (это должно произойти в 2015 году) тонкая азотная атмосфера Плутона, по-видимому, начнет постепенно замерзать и превращаться в слой инея на его поверхности. Упустить шанс наблюдать (при помощи специальных приборов, установленных на зонде) драматический процесс сезонных климатических изменений на Плутоне было бы для разработчиков миссии очень обидно.

Откуда берутся кометы
Примерно в то же время, что и Эджворт с Купером, свой вариант происхождения комет с длинным периодом предложил голландец Джон Оорт. Согласно Оорту, на значительно большем удалении от Солнца, примерно на расстоянии 100 тыс. астрономических единиц, существует "летаргическое" кометное облако (впоследствии оно получило название "облако Оорта"), содержащее миллиарды, а быть может, даже несколько сотен миллиардов мелких кометных ядер, общая масса которых приближена к массе Земли. Образованные из твердых пород и замерзшего льда, они лишь в очень редких случаях, под гравитационным воздействием какой-либо звезды, проходящей на относительно близком расстоянии от Солнца, прерывают свой сон и устремляются внутрь нашей планетарной системы. Причем если такие кометы не падают на Солнце, то они затем снова возвращаются в привычную зону космического пространства, и до момента их следующего появления в пределах нашей видимости может пройти от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет.
Гипотеза Оорта, в отличие от гипотезы Эджворта-Купера, была сразу же встречена его коллегами с большим энтузиазмом (быть может, дополнительным источником этого энтузиазма была принципиальная невозможность ее экспериментального подтверждения: объекты, из которых предположительно состоит облако Оорта, слишком удалены и малы по своим размерам, чтобы просматриваться даже с помощью современных телескопов).