Плутон – пасынок Солнца

Наведите весной телескоп в ту часть южного неба, что справа от Волопаса, под Большой Медведицей. И вы увидите созвездие Волосы Вероники. Оно неброско, в нем нет бриллиантов первой величины. Зато звезд в нем окажется на одну больше, чем значится в любом астрономическом каталоге. «Лишняя» звездочка — неимоверно далекая и кажущаяся почти неподвижной планета Плутон. В последние годы он виден как раз в этом созвездии.

Посмотрите учебники, солидные монографии, популярные издания по астрономии. В разделах, посвященных солнечному семейству, о Плутоне — почти ничего. Несколько туманных абзацев. До последнего времени он продолжает быть тайной за семью печатями. И вот теперь, после недавнего события,— быть может, лишь за шестью. (К слову для астронома увидеть Плутон в телескоп порой такая же удача, как для обычного человека выиграть большую суму денег в компании Parimatch).

Между тем интерес к самому далекому члену солнечного семейства носит особый характер. Как-то уж слишком не вписывается он в систему физических характеристик планет, обусловленных мерой их удаленности от светила. Заметим, что Плутон не очень-то в ладах и с современными представлениями о происхождении и эволюции Солнечной системы. По крайней мере, с позиции современного видения ситуации.

С другой стороны, опять-таки в меру наших нынешних знаний, его орбита — это край солнечного царства. Этакая экстремальная зона, где из остатков гипотетического газопылевого облака, послужившего первоосновой Солнечной системы, природа еще могла слепить небесное тело. А дальше, за поясом загадочных комет, вплоть до ближайшей к нам Проксимы Центавра,— пустота? Узнать физические свойства Плутона — значит во многом проникнуть в не очень-то пока ясную родословную Солнца и планет. И, может быть, шагнуть за горизонт сегодняшних космогонических представлений.

..После того, как предсказанный Леверье «на кончике пера» Нептун был открыт, ученый приступил к уточнению траектории движения этой планеты с учетом воздействия на нее Урана. Он закончил работу в 1875 году, уверенный, что учел все нюансы взаимного влияния планет на формирование их орбит. И тут выяснилось, что полного согласия теории и наблюдений нет. Хотя расхождения между вычисленными и наблюдаемыми координатами оставались небольшими, но все же имели систематический характер. Вот тут-то и появились подозрения, что дело не в огрехах математических выкладок или ошибках наблюдений. Ниточки гравитационных воздействий могли идти от девятого, до тех пор не обнаруженного спутника нашего светила.

Леверье, Гайо и особенно Ловелл проделали колоссальные исследования, рисуя воображаемую траекторию планеты Икс. Сам же Ловелл и начал те поиски в 1905 году на обсерватории в североамериканском штате Аризона. Через одиннадцать лет смерть ученого оборвала эту работу, и вопрос на годы остался открытым. В январе 1929 года на обсерватории появился молодой ассистент Клайд Томбо. Он и продолжил на только что установленном новом 33-сантиметровом фотографическом телескопе поиски возмутителя спокойствия. Его терпение и аккуратность были вознаграждены 18 февраля 1930 года. В этот день, сравнивая пластинки, отснятые 23 и 29 января того же года, он обнаружил едва заметный сдвиг звездочки 15-й величины. Имя «Плутон» ей предложила одиннадцатилетняя дочка одного профессора астрономии.

Что же мы узнали о нем за несколько десятков лет знакомства? Прямо скажем, не слишком много. Достоверно — следующее. Его среднее расстояние от Солнца 6 миллиардов километров, он в сорок раз дальше от светила, чем Земля. Чтобы представить, как это далеко, стоит, может быть, привести такой факт. Знаменитая комета Г аллея, период обращения которой вокруг Солнца по вытянутому эллипсу составляет 80 лет в точке максимального удаления от своего гравитационного повелителя так и не достигает орбиты Плутона.

И конечно, это самая грустная из планет: она получает в 1600 раз меньше солнечного света, чем наша Земля. Вот почему на ней постоянно царят смертельный холод, минус 220 градусов Цельсия, и мрак.

По сравнению с другими планетами Плутон движется чрезвычайно медленно: со скоростью всего лишь 4,7 километра в секунду. Но чем он действительно выделяется, так это формой и расположением орбиты. Эксцентриситет ее (то есть вытянутость) настолько велик, что Плутон — это, видимо, не все знают — не всегда бывает самым дальним телом по отношению к нашей звезде. Двигаясь по необычно вытянутому эллипсу, он периодически заходит внутрь орбиты Нептуна. Отсюда, между прочим, следует, что в космологическом масштабе времени при взаимном пересечении орбит не исключена космическая катастрофа — столкновение этих двух планет и, быть может, рождение нового пояса астероидов. Правда, современные расчеты оставляют для такого события чрезвычайно малую степень вероятности.

Удивляет и положение орбиты в пространстве. Все планеты, кроме Плутона, обращаются вокруг Солнца более или менее в одной плоскости (различия — в единицах градусов). Он же и здесь «оригинал»: его орбита наклонена к плоскости эклиптики почти на 18 градусов. В результате этот отшельник в определенный момент поднимается над эклиптикой на миллиард с четвертью километров.

Считается достаточно надежно установленным и период вращения планеты вокруг оси — 6,4 земных суток. Потому что именно с таким периодом изменяется ее видимый блеск. И, пожалуй, последнее, о чем можно говорить с некоторой долей уверенности,— размеры. Мы уже сказали, что с Земли Плутон смотрится как звездочка 15-й величины, а, значит, невооруженному взгляду абсолютно недоступен и различимее фон звезд лишь в хорошие астрономические приборы. Впрочем, и в большинство таких приборов он виден как безразмерная светящаяся точка. Только самые крупные зеркала, да и то при наилучших условиях наблюдения, позволили различить крошечный диск с угловым диаметром примерно 0,23 секунды, что соответствует поперечнику в 5800 километров. Впрочем, и эти данные не очень надежны.

Собственно, эпитет «загадочный», употребленный в начале повествования, в нашем случае оказывается не расхожим штампом, а вполне приложимой к Плутону характеристикой. Думается, в этом еще будет возможность убедиться.

Вернемся, однако, к размерам, потому что здесь кроется далеко не последняя причина «плутонических» парадоксов и недоразумений. Из-за колоссальной удаленности планеты произвести прямое измерение ее диаметра оказалось очень трудной задачей. Гораздо более точный метод измерений столь малых углов, под которым, в частности, видится с Земли Плутон, — фотометрические наблюдения покрытия звезд. Такое событие в принципе — дело весьма редкое, но недавно астрономам повезло: к одной из звезд Плутон проходил «впритирку». И впервые удалось установить верхний предел его диаметра — 6800 километров. Он может быть меньше, говорят теперь исследователи, но ни в коем случае не больше. А значит, не больше половины поперечника Земли.

Тут, однако, говоря мягко, начинаются странности. Еще до того, как «последняя планета» была открыта, вычисления невязок в траектории Нептуна показали, что они могут быть объяснены влиянием тела с массой 0,8—0,9 земной. Но если масса Плутона действительно такова, то при диаметре 6800 километров средняя его плотность превышает плотность… золота! Согласимся, очевидный нонсенс: весь опыт науки говорит, что вещества, плотность которых выше, чем у железа, в природе (будь то звезды, Земля, другие планеты) встречаются в небольших количествах. И посему не видно причин, по которым на солнечной периферии смог бы пристроиться увесистый слиток. Ситуация тем более алогична, что средняя плотность предшествующих Плутону планет-гигантов лишь немногим превышает плотность воды.

Куда идти? Попробуем принять плотность пасынка Солнца равной земной — 5,5 г/см3. Однако в таком случае с неизбежностью придется увеличить диаметр далекой планеты вдвое. Но тогда поперечник ее станет существенно больше, а значит — вполне и надежно измерим! Мы же этого не наблюдаем. Да и что делать тогда с ограничением 6800 километров?

И путь остался один — «снижать» массу. Сначала допустили, что она равна примерно половине массы Земли, потом — трем десятым земной массы. Посчитали, что тут должно получиться. При диаметре, скажем, 6400 километров средняя плотность оказывалась близкой к плотности железа. Не очень хорошо… В одном научном издании появилась, наконец, такая фраза: «Наилучшее определение массы Плутона в настоящее время дает значение 0,11 земной массы. Эта масса с учетом диаметра 6400 километров приводит к плотности 4,9 г/см3».

Позвольте, скажет читатель, но это же произвол! Сначала вычислили 0,9, потом приняли 0,2, потом… Наука не может моделировать в стиле Иудушки Головлева: «Сколько на десятине овса растет и сколько этот овес может денег принести, ежели его куры мужицкие помнут, и за все помятое штраф уплатят?».

И ученые чувствуют некоторую неловкость с «делом о Плутоне». Неудивительно, что в том же издании несколькими строками ниже они слегка подтрунивают над собой. Наиболее «безопасным», читаем мы, следует считать заключение Аша: «Масса Плутона не может быть определена достоверно из существующих данных».

Между тем именно это белое пятно в биографии нашего главного героя вызывает наибольшую досаду исследователей. Потому что масса — главная «печка», от которой танцуют при построении модели небесного тела. Лишь после точного «взвешивания» открывается путь к выяснению истинных свойств планеты, ее подлинных размеров, строения, плотности, давлений на различных глубинах и т. д. Ну а в век космонавтики знание этой характеристики нужно еще и для разработки методов посадки на планету земных посланцев.

Определить массу Плутона трудно потому, что требуется измерять, как действует на движение большого тела — Нептуна тело меньшее (по «весу» раз, может быть, в сто) — Плутон. Дополнительная сложность и в том, что со времени своего открытия последний член солнечной свиты сделал всего лишь пятую часть оборота вокруг светила.

Все было бы проще, если бы у планеты имелся хоть один естественный спутник. Потому что именно по периодам обращения спутников ученые надежно определяют массу материнского тела.

И вот на границе с межзвездным пространством, кажется, состоялось открытие, которое обещает разгадку многих проблем Плутона. Да, речь пойдет о его спутнике. Но тут надо сделать одно отступление. Задумывались ли вы когда-нибудь, почему планеты вращаются? Это их свойство часто принимают как данность. Между тем для исследователей за этой «данностью» стоит Монблан вопросов. Ну, в самом деле, «кто» их раскрутил? Почему одни из них еле шевелятся (Меркурий делает оборот вокруг оси за 59 земных суток, Венера и вовсе ленива — вращается в 243 раза медленнее Земли), другие же — сущие волчки, скорость их вращения составляет часы или десятки часов? Где причина, что у быстрых планет есть спутники, а у медленных нет? Отчего это ось вращения, скажем, Юпитера почти перпендикулярна плоскости эклиптики, Уран же по отношению к ней крутится «лежа на боку»? С какой стати семь планет вращаются в одну сторону, а две — в противоположную?

На первые три вопроса и попытался ответить грузинский астроном Ролан Киладзе в своей работе «О роли околопланетного роя частиц в возникновении суточного вращения». Идея ученого коротко состоит в следующем. Семь быстровращающихся ныне планет (от Земли до Плутона включительно) в эпоху своего формирования были окружены целыми роями мелких тел. Диаметр этих протопланетных облаков был в 30—50 раз больше нынешних поперечников планет. Постепенное выпадение частиц из роя на поверхность и есть причина приобретения планетой вращательного момента.

С другой стороны, из законов сохранения кинетического момента следует, что в процессе формирования планет часть вещества окружавшего их роя должна была остаться на околопланетной орбите и сконденсироваться в спутниковые тела. Действительно, у «шустрых» планет имеется от одного до нескольких спутников (только Плутон здесь шел вроде бы не в ногу). Венера же и Меркурий были лишены подобного рода облаков, вот почему они одиноки, вот почему их «некому» было раскрутить, и они чуть ли не весь свой год повернуты к Солнцу одним боком.

Такова концепция Киладзе. Для нас в статье грузинского ученого самым примечательным, несомненно, является ее последний абзац: «В заключение отметим, что рой мелких частиц, по всей видимости, окружал также Плутон, у которого, согласно нашей концепции, должен иметься неизвестный в настоящее время спутник, ждущий своего открытия».

Да, все логично. Период вращения Плутона вокруг оси — 6,4 суток. Значит, по сравнению с Меркурием и Венерой он тоже волчок. И если механизм раскручивания реален, то и вокруг Плутона должен был быть рой, а значит, часть его вполне могла сгуститься в спутник.

Ни одна теория не принимается на веру наукой. Ее законной дочерью она становится лишь в том случае, если проистекающие из теории выводы подтверждаются наблюдениями, экспериментами. В этом смысле открытие предсказанного спутника могло стать хорошим пробным камнем концепции Киладзе.

Надо было искать. Задача эта архитрудная, ведь, как мы уже заметили, и сам-то Плутон смотрится в хорошие телескопы почти как точка, как же тогда разглядеть заведомо меньший спутник?

Программа наблюдений на большом телескопе БТА-6 на Северном Кавказе очень загружена и расписана надолго вперед. По заявке Ролана Киладзе, в которой он указал примерную яркость спутника, возможное расстояние от планеты, удобное время наблюдений, в этой программе Плутону было выделено «окошечко». И вот крупнейшее астрономическое зеркало устремило свой взор на Волосы Вероники. К сожалению, погодные условия тогда оказались не лучшими, и снимки не дали чего-либо нового.

Американским астрономам, примерно в то же время фотографировавшим Плутон, повезло больше. Близ Плутона ими наблюдался спутник. Точнее, наблюдался не сам спутник Плутона, а искажение видимой формы планеты: она периодически удлинялась, принимая вид груши. Интерпретация этого эффекта, согласимся, может быть только одна.

В том, что «на краю света» обнаружено еще одно небесное тело, ничего необычного, естественно, нет (новые спутники открыты у Юпитера, Сатурна). Удивляет другое — характеристики этого тела. Диаметр его, по оценкам астрономов, около 500 километров. Спутник обращается синхронно с планетой, то есть всегда висит над одной и той же точкой ее поверхности. Движение происходит по орбите, очень близкой к планете, отчего на снимках его и не удается рассмотреть как отдельное тело.

Что же здесь поражает? А то, что если размеры спутника, высота орбиты и период обращения действительно таковы, то несложные расчеты приводят к фантастически малой массе Плутона — 1/400 массы Земли. В пять раз «легче» Луны?! Значит, он совсем маленький? В принципе, конечно, такое возможно, ведь ограничение, как мы знаем, наложено лишь на его максимальные размеры. И все-таки Плутон не может быть совсем уж малышом, на его минимальные размеры наложено принципиальное ограничение другого рода. Поверхность каждой планеты отражает обратно в космическое пространство часть солнечного света. Плутон света отражает столько, как если бы он был всего в два раза меньше нашей планеты. При массе в 1/400 земной и соответственно карликовых размерах планеты получается, будто она отражает света больше, чем получает, а это природой запрещено.

Напрашиваются два предположения. Первое — Плутон еще не планета. Когда мы говорили о неких экстремальных условиях на периферии Солнечной системы, то прежде всего имели в виду, что плотность газопылевого облака, из которого сформировалась солнечная семья, там чрезвычайно мала. Вполне допустимо, что протопланетный материал и сегодня как бы размазан по орбите Плутона. Стадия конденсации вещества в «полноценную» планету (для Земли она составила десятки миллионов лет, для Урана и Нептуна — уже более миллиарда) на солнечной окраине, возможно, еще далека от завершения. Отсюда при мизерной (в космогонической шкале исчислений) массе получаем тело малой плотности и соответственно больших размеров. Это решило бы проблему с наблюдаемым количеством отраженного света.

Другое предположение, которое было принято астрономическим сообществом — Плутон вообще не планета. По крайней мере, с позиций традиционных представлений о свойствах этих небесных тел.

Физические модели спутников Солнца, построенные в последние годы исследователями, дают интересные выводы относительно Урана и Нептуна. Из моделей следует, что в них сосредоточен почти весь запас воды, «отпущенной» Солнечной системе. Понятно, в форме льда. Экстраполируя физико-химические свойства «древнего» Урано-Нептунного космического пояса до орбиты Плутона, можно допустить, что и здесь молекулы воды были в изобилии. Однако условия кристаллизации в этом районе по ряду причин оказались иными, и сформировался не ледяной (по преимуществу) шар, а огромный, диаметром несколько тысяч километров, рыхлый ком из смеси снега и протопланетной пыли. Экзотика? Отнюдь.

О возможности существования в космосе образований подобного рода говорят результаты сравнительно недавних исследований академика Г. И. Петрова, связанных с фантастическим взрывом на Подкаменной Тунгуске 30 июня 1908 года. Строгий учет всего, что характеризовало уникальное явление (описания очевидцев, картина вывала леса, отсутствие каких-либо остатков космического гостя, законы баллистики, выделившаяся энергия и многое другое), помноженный на возможности современных вычислительных средств, позволил нарисовать новый образ пришельца. Оказалось, неплохо все объясняется, если принять, что с атмосферой столкнулся рыхлый, чрезвычайно малой плотности снежный ком, летящий со скоростью в десятки километров в секунду.

Вот какую цепочку следствий тянет за собой открытие спутника на границе с межзвездным пространством. Впрочем, на границе ли? Ведь не раз уже утверждалось, что объяснить отклонения наблюдаемых орбит Урана и Нептуна от вычисленных нельзя за счет воздействия на них одного лишь Плутона (особенно если учесть, что масса Плутона теперь представляется очень небольшой). Теоретики продолжают искать решения. Один из вариантов расчетов «дал» нашей системе десятую, трансплутоновую планету с массой, близкой к массе Юпитера, расстоянием от Солнца 9 миллиардов километров и наклоном орбиты (к плоскости эклиптики) 120 градусов. Она должна иметь 13—14-звездную величину. Но, хотя в ее поисках на фотопластинках просматривались объекты до 16,5 звездной величины, расчетное дитя пока не обнаружено. Удивляться этому не следует. Ведь чем дальше планета от Солнца, тем, по законам небесной механики, медленнее она движется по орбите. Десятая планета должна за год смещаться среди звезд лишь на доли градуса. Легко ли различить такой сдвиг?

Кроме того, природа столь удаленных тел (не исключают и одиннадцатую, двенадцатую планеты…), их физические характеристики, отражательная способность могут быть еще более удивительными, чем у Плутона, что может наложить дополнительные трудности на поиски.

Надо сказать, что нетривиальные небесные характеристики Плутона и прежде всего, конечно, его странная орбита породили и довольно экзотическую гипотезу о «заблудшем сыне». Не был ли некогда Плутон спутником Нептуна? Сегодня у этой планеты-гиганта два спутника, очень различающиеся по своему поведению! Крошечная Нереида обращается на расстоянии миллионов километров от Нептуна по такому узкому эллипсу, что ее максимальное удаление от Нептуна в десять раз больше минимального. Солидный Тритон «крутится» буквально под боком (350 тысяч километров), причем практически по круговой орбите. Сами же орбиты спутников лежат в резко разных плоскостях.

Откуда такой разнобой? Не случился ли в прошлом в семействе Нептуна катаклизм, существенно изменивший облик солнечных окраин? В результате Плутон был выброшен на самостоятельную орбиту, Тритон изменил направление движения на обратное, а Нереида, еле удержавшись в гравитационном поле «хозяина», кардинально изменила наклон и форму орбиты.

Принципиального запрета на такие события нет, другой вопрос — что было их причиной? Недавно сотрудники Вашингтонской обсерватории Р. Харрингтон и Томас Ван Фландерном предположили, что через систему Нептуна в свое время прошел массивный космический объект. Чтобы проверить эту гипотезу, они выполнили программу исследований на компьютере, имитируя тысячи вариантов: меняли массу гипотетического объекта, скорость его сближения с системой, угол подхода. Было обнаружено, что к ситуации, характерной для современного положения Нептуна и Плутона, могло привести медленное прохождение через орбиты спутников Нептуна (в том числе и Плутона) объекта с массой, равной 2—5 массам Земли. Более крупное тело могло спутники полностью разрушить, объект меньшей массы оказал бы недостаточный эффект.

Если все так и было, то, спрашивается, что за небесный странник произвел описываемый переполох и, главное, куда он затем делся? Харрингтон и Ван Фландерном не исключают, что это была планета, обращающаяся вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите. Сейчас она может находиться на столь дальнем ее участке, что не просматривается даже в самые крупные телескопы.

Так не эта ли невидимка вызывает до сих пор не получившие объяснения неувязки в движении внешних планет?

Автор: О. Борисов.