Плутон – пасинок Сонця

Наведіть навесні телескоп в ту частину південного неба, що праворуч від Волопаса, під Великою Ведмедицею. І ви побачите сузір’я Волосся Вероніки. Воно непомітне, в ньому немає діамантів першої величини. Зате зірок в ньому виявиться на одну більше, ніж значиться в будь-якому астрономічному каталозі. «Зайва» зірочка – неймовірно далека і здається майже нерухомою планета Плутон. В останні роки він видимий якраз в цьому сузір’ї.

Подивіться підручники, солідні монографії, популярні видання з астрономії. У розділах, присвячених сонячному сімейству, про Плутон – майже нічого. Кілька туманних абзаців. До останнього часу він продовжує бути таємницею за сімома печатками. І ось тепер, після недавньої події, – можливо, лише за шістьма.

Тим часом інтерес до найдальшого члена сонячного сімейства носить особливий характер. Якось аж надто не вписується він в систему фізичних характеристик планет, обумовлених мірою їх віддаленості від світила. Зауважимо, що Плутон не дуже-то в ладах і з сучасними уявленнями про походження і еволюцію Сонячної системи. Принаймні, з позиції сучасного бачення ситуації.

З іншого боку, знову-таки в міру наших нинішніх знань, його орбіта – це край сонячного царства. Така собі екстремальна зона, де із залишків гіпотетичної газопилової хмари, що послужила першоосновою Сонячної системи, природа ще могла зліпити небесне тіло. А далі, за поясом загадкових комет, аж до найближчої до нас Проксими Центавра — порожнеча? Пізнати фізичні властивості Плутона – значить багато в чому проникнути в не дуже-то поки ясний родовід Сонця і планет. І, можливо, зробити крок за горизонт сьогоднішніх космогонічних уявлень.

..Після того, як передбачений Левер’є «на кінчику пера» Нептун був відкритий, вчений приступив до уточнення траєкторії руху цієї планети з урахуванням впливу на неї Урану. Він закінчив роботу в 1875 році, впевнений, що врахував всі нюанси взаємного впливу планет на формування їх орбіт. І тут з’ясувалося, що повної згоди теорії і спостережень немає. Хоча розбіжності між обчисленими і спостережуваними координатами залишалися невеликими, але все ж мали систематичний характер. Ось тут-то і з’явилися підозри, що справа не в огріхах математичних викладок або помилках спостережень. Ниточки гравітаційних впливів могли йти від дев’ятого, до тих пір не виявленого супутника нашого світила.

Левер’є, Гайо і особливо Ловелл виконали колосальні дослідження, малюючи уявну траєкторію планети Ікс. Сам же Ловелл і почав ті пошуки в 1905 році на обсерваторії в північноамериканському штаті Арізона. Через одинадцять років смерть вченого обірвала цю роботу, і питання на роки залишилося відкритим. У січні 1929 року на обсерваторії з’явився молодий асистент Клайд Томбо. Він і продовжив на щойно встановленому новому 33-сантиметровому фотографічному телескопі пошуки обурювача спокою. Його терпіння і акуратність були винагороджені 18 лютого 1930 року. У цей день, порівнюючи платівки, відзняті 23 і 29 січня того ж року, він виявив ледь помітний зсув зірочки 15-ї величини. Ім’я «Плутон» їй запропонувала одинадцятирічна дочка одного професора астрономії.

Що ж ми дізналися про нього за кілька десятків років знайомства? Прямо скажемо, не надто багато. Достовірно наступне. Його середня відстань від Сонця 6 мільярдів кілометрів, він в сорок разів далі від світила, ніж Земля. Щоб уявити, як це далеко, варто, може бути, привести такий факт. Знаменита комета Г алея, період обертання якої навколо Сонця по витягнутому еліпсу становить 80 років в точці максимального віддалення від свого гравітаційного повелителя так і не досягає орбіти Плутона.

І звичайно, це найсумніша з планет: вона отримує в 1600 разів менше сонячного світла, ніж наша Земля. Ось чому на ній постійно панують смертельний холод, мінус 220 градусів Цельсія, і морок.

У порівнянні з іншими планетами Плутон рухається надзвичайно повільно: зі швидкістю всього лише 4,7 кілометра в секунду. Але чим він дійсно виділяється, так це формою і розташуванням орбіти. Ексцентриситет її (тобто витягнутість) настільки великий, що Плутон — це, мабуть, не всі знають — не завжди буває найдальшим тілом по відношенню до нашої зірки. Рухаючись по незвично витягнутому еліпсу, він періодично заходить всередину орбіти Нептуна. Звідси, між іншим, випливає, що в космологічному масштабі часу при взаємному перетині орбіт не виключена космічна катастрофа — зіткнення цих двох планет і, можливо, народження нового поясу астероїдів. Правда, сучасні розрахунки залишають для такої події надзвичайно малий ступінь ймовірності.

Дивує і положення орбіти в просторі. Всі планети, крім Плутона, обертаються навколо Сонця більш-менш в одній площині (відмінності — в одиницях градусів). Він же і тут “оригінал”: його орбіта нахилена до площини екліптики майже на 18 градусів. В результаті цей відлюдник в певний момент піднімається над екліптикою на мільярд з чвертю кілометрів.

Вважається досить надійно встановленим і період обертання планети навколо осі – 6,4 земних діб. Тому що саме з таким періодом змінюється її видимий блиск. І, мабуть, останнє, про що можна говорити з деякою часткою впевненості,— розміри. Ми вже сказали, що з землі Плутон виглядає як Зірочка 15-ї величини, а, значить, неозброєному погляду абсолютно недоступний і помітний фон зірок лише в хороші астрономічні прилади. Втім, і в більшості таких приладів він видний як безрозмірна світла точка. Тільки найбільші дзеркала, та й то при найкращих умовах спостереження, дозволили розрізнити крихітний диск з кутовим діаметром приблизно 0,23 секунди, що відповідає поперечнику в 5800 кілометрів. Втім, і ці дані не дуже надійні.

Власне, епітет “загадковий”, вжитий на початку статті, в нашому випадку виявляється не розхожим штампом, а цілком прикладною до Плутона характеристикою. Здається, в цьому ще буде можливість переконатися.

Повернімося, однак, до розмірів, тому що тут криється далеко не остання причина «плутонічних» парадоксів і непорозумінь. Через колосальну віддаленість планети зробити пряме вимірювання її діаметра виявилося дуже важким завданням. Набагато більш точний метод вимірювань настільки малих кутів, під яким, зокрема, бачиться з Землі Плутон, — фотометричні спостереження покриття зірок. Така подія в принципі — справа досить рідкісна, але недавно астрономам пощастило: до однієї із зірок Плутон проходив «впритул». І вперше вдалося встановити верхню межу його діаметра – 6800 кілометрів. Він може бути менше, кажуть тепер дослідники, але ні в якому разі не більше. А значить, не більше половини поперечника Землі.

Тут, однак, м’яко кажучи, починаються дивацтва. Ще до того, як «остання планета» була відкрита, обчислення неув’язок в траєкторії Нептуна показали, що вони можуть бути пояснені впливом тіла з масою 0,8—0,9 Земної. Але якщо маса Плутона дійсно така, то при діаметрі 6800 кілометрів середня його щільність перевищує щільність… золота! Погодимося, очевидний нонсенс: весь досвід науки говорить, що речовини, щільність яких вище, ніж у заліза, в природі (будь то зірки, Земля, інші планети) зустрічаються в невеликих кількостях. І тому не видно причин, за якими на сонячній периферії зміг би прилаштуватися важкий злиток. Ситуація тим більше алогічна, що середня щільність попередніх Плутону планет-гігантів лише трохи перевищує щільність води.

Куди йти? Спробуємо прийняти щільність пасинка Сонця рівною земній – 5,5 г/см3. Однак в такому випадку з неминучістю доведеться збільшити діаметр далекої планети вдвічі. Але тоді діаметр її стане істотно більше, а значить — цілком і надійно виміряємо! Ми ж цього не спостерігаємо. Та й що робити тоді з обмеженням 6800 кілометрів?

І шлях залишився один – «знижувати» масу. Спочатку допустили, що вона дорівнює приблизно половині маси Землі, потім – трьом десятим земної маси. Порахували, що тут повинно вийти. При діаметрі, скажімо, 6400 кілометрів середня щільність виявлялася близькою до щільності заліза. Не дуже добре… В одному науковому виданні з’явилася, нарешті, така фраза: «найкраще визначення маси Плутона в даний час дає значення 0,11 земної маси. Ця маса з урахуванням діаметра 6400 кілометрів призводить до щільності 4,9 г/см3».

Дозвольте, скаже читач, але це ж свавілля! Спочатку вирахували 0,9, потім прийняли 0,2, потім… Наука не може моделювати в стилі Юдушки Головльова: «скільки на десятині вівса росте і скільки цей овес може грошей принести, якщо його кури мужицькі помнуть і за все пом’яте штраф сплатять?».

І вчені відчувають деяку незручність з «справою про Плутон». Не дивно, що в тому ж виданні декількома рядками нижче вони злегка жартують над собою. Найбільш «безпечним», читаємо ми, слід вважати висновок: «маса Плутона не може бути визначена достовірно з існуючих даних».

Тим часом саме ця біла пляма в біографії нашого головного героя викликає найбільшу досаду дослідників. Тому що маса — головна «грубка», від якої танцюють при побудові моделі небесного тіла. Лише після точного “зважування” відкривається шлях до з’ясування справжніх властивостей планети, її справжніх розмірів, будови, щільності, тисків на різних глибинах і т. д. Ну а в століття космонавтики знання цієї характеристики потрібно ще й для розробки методів посадки на планету земних посланців.

Визначити масу Плутона важко тому, що потрібно вимірювати, як діє на рух великого тіла — Нептуна тіло менше (по «вазі» раз, може бути, в сто) — Плутон. Додаткова складність і в тому, що з часу свого відкриття останній член сонячної свити зробив всього лише п’яту частину обороту навколо світила.

Все було б простіше, якби у планети був хоч один природний супутник. Тому що саме за періодами обертання супутників вчені надійно визначають масу материнського тіла.

І ось на кордоні з міжзоряним простором, здається, відбулося відкриття, яке обіцяє розгадку багатьох проблем Плутона. Так, мова піде про його супутник. Але тут треба зробити один відступ. Чи замислювалися ви коли-небудь, чому планети обертаються? Цю їх властивість часто приймають як даність. Тим часом для дослідників за цією “даністю” стоїть Монблан питань. Ну, справді, хто їх «розкрутив»? Чому одні з них ледве ворушаться (Меркурій робить оборот навколо осі за 59 земних діб, Венера і зовсім лінива – обертається в 243 рази повільніше Землі), інші ж — справжні дзиги, швидкість їх обертання становить десятки годин? Де причина, що у швидких планет є супутники, а у повільних немає? Чому це вісь обертання, скажімо, Юпітера майже перпендикулярна площині екліптики, Уран же по відношенню до неї крутиться «лежачи на боці»? З якого дива сім планет обертаються в одну сторону, а дві — в протилежну?

На перші три питання і спробував відповісти грузинський астроном Ролан Кіладзе у своїй роботі «Про роль навколопланетного рою частинок у виникненні добового обертання». Ідея вченого коротко полягає в наступному. Сім швидкорухомих нині планет (від Землі до Плутона включно) в епоху свого формування були оточені цілими роями дрібних тіл. Діаметр цих протопланетних хмар був в 30-50 разів більше нинішніх поперечників планет. Поступове випадання частинок з рою на поверхню і є причина придбання планетою обертального моменту.

З іншого боку, із законів збереження кінетичного моменту випливає, що в процесі формування планет частина речовини оточуючого їх рою повинна була залишитися на навколопланетній орбіті і сконденсуватися в супутникові тіла. Дійсно, у «спритних» планет є від одного до декількох супутників (тільки Плутон тут йшов начебто не в ногу). Венера ж і Меркурій були позбавлені подібного роду хмар, ось чому вони самотні, ось чому їх «нікому» було розкрутити, і вони мало не весь свій рік повернені до Сонця одним боком.

Така концепція Кіладзе. Для нас в статті грузинського вченого самим примітним, безсумнівно, є її останній абзац: «на закінчення відзначимо, що рій дрібних частинок, по всій видимості, оточував також Плутон, у якого, згідно з нашою концепцією, повинен бути невідомий в даний час супутник, що чекає свого відкриття».

Так, все логічно. Період обертання Плутона навколо осі – 6,4 доби. Значить, в порівнянні з Меркурієм і Венерою він теж дзига. І якщо механізм розкручування реальний, то і навколо Плутона повинен був бути рій, а значить, частина його цілком могла згуститися в супутник.

Жодна теорія не приймається на віру наукою. Її законною дочкою вона стає лише в тому випадку, якщо виникаючі з теорії висновки підтверджуються спостереженнями, експериментами. У цьому сенсі відкриття передбаченого супутника могло стати хорошим пробним каменем концепції Кіладзе.

Треба було шукати. Завдання це архіважке, адже, як ми вже помітили, і сам-то Плутон виглядає в хороші телескопи майже як точка, як же тоді розгледіти свідомо менший супутник?

Програма спостережень на великому телескопі БТА-6 на Північному Кавказі дуже завантажена і розписана надовго вперед. За заявкою Ролана Кіладзе, в якій він вказав приблизну яскравість супутника, можливу відстань від планети, зручний час спостережень, в цій програмі Плутону було виділено «віконечко». І ось найбільше астрономічне дзеркало спрямувало свій погляд на Волосся Вероніки. На жаль, погодні умови тоді виявилися не кращими, і знімки не дали чого-небудь нового.

Американським астрономам, які приблизно в той же час фотографували Плутон, пощастило більше. Поблизу Плутона ними спостерігався супутник. Точніше, спостерігався не сам супутник Плутона, а спотворення видимої форми планети: вона періодично подовжувалася, приймаючи вигляд груші. Інтерпретація цього ефекту, погодимося, може бути тільки одна.

У тому, що «на краю світу» виявлено ще одне небесне тіло, нічого незвичайного, природно, немає (нові супутники відкриті у Юпітера, Сатурна). Дивує інше – характеристики цього тіла. Діаметр його, за оцінками астрономів, близько 500 кілометрів. Супутник обертається синхронно з планетою, тобто завжди висить над однією і тією ж точкою її поверхні. Рух відбувається по орбіті, дуже близькій до планети, чому на знімках його і не вдається розглянути як окреме тіло.

Що ж тут вражає? А те, що якщо розміри супутника, висота орбіти і період обертання дійсно такі, то нескладні розрахунки призводять до фантастично малої маси Плутона — 1/400 маси Землі. У п’ять разів «легше» Місяця?! Значить, він зовсім маленький? В принципі, звичайно, таке можливо, адже обмеження, як ми знаємо, накладено лише на його максимальні розміри. І все-таки Плутон не може бути зовсім вже малюком, на його мінімальні розміри накладено принципове обмеження іншого роду. Поверхня кожної планети відбиває назад в космічний простір частину сонячного світла. Плутон світла відбиває стільки, як якщо б він був всього в два рази менше нашої планети. При масі в 1/400 Земної і відповідно карликових розмірах планети виходить, ніби вона відображає світла більше, ніж отримує, а це природою заборонено.

Напрошуються два припущення. Перше – Плутон ще не планета. Коли ми говорили про якісь екстремальні умови на периферії Сонячної системи, то перш за все мали на увазі, що щільність газопилової хмари, з якої сформувалася Сонячна сім’я, там надзвичайно мала. Цілком допустимо, що протопланетний матеріал і сьогодні як би розмазаний по орбіті Плутона. Стадія конденсації речовини в «повноцінну» планету (для Землі вона склала десятки мільйонів років, для Урана і Нептуна — вже більше мільярда) на сонячній околиці, можливо, ще далека від завершення. Звідси при мізерній (в космогонічній шкалі обчислень) масі отримуємо тіло малої щільності і відповідно великих розмірів. Це вирішило б проблему з спостережуваною кількістю відбитого світла.

Інше припущення, яке було прийнято астрономічним співтовариством – Плутон взагалі не планета. Принаймні, з позицій традиційних уявлень про властивості цих небесних тіл.

Фізичні моделі супутників Сонця, побудовані в останні роки дослідниками, дають цікаві висновки щодо Урана і Нептуна. З моделей випливає, що в них зосереджений майже весь запас води, «відпущеної» Сонячній системі. Зрозуміло, у формі льоду. Екстраполюючи фізико-хімічні властивості «стародавнього» Урано-Нептунного космічного поясу до орбіти Плутона, можна допустити, що і тут молекули води були в достатку. Однак умови кристалізації в цьому районі по ряду причин виявилися іншими, і сформувалася не крижана (переважно) куля, а величезний, діаметром кілька тисяч кілометрів, пухкий ком з суміші снігу і протопланетного пилу. Екзотика? Аж ніяк.

Про можливість існування в космосі утворень подібного роду говорять результати порівняно недавніх досліджень академіка Г. І. Петрова, пов’язаних з фантастичним вибухом на Підкам’яній Тунгуске 30 червня 1908 року. Суворий облік всього, що характеризувало унікальне явище (описи очевидців, картина вивалу лісу, відсутність будь-яких залишків космічного гостя, закони балістики, виділена енергія і багато іншого), помножений на можливості сучасних обчислювальних засобів, дозволив намалювати новий образ прибульця. Виявилося, непогано все пояснюється, якщо прийняти, що з атмосферою зіткнувся пухкий, надзвичайно малої щільності сніжний ком, що летить зі швидкістю в десятки кілометрів в секунду.

Ось який ланцюжок наслідків тягне за собою відкриття супутника на кордоні з міжзоряним простором. Втім, чи на кордоні? Адже не раз вже стверджувалося, що пояснити відхилення спостережуваних орбіт Урана і Нептуна від обчислених не можна за рахунок впливу на них одного лише Плутона (особливо якщо врахувати, що маса Плутона тепер представляється дуже невеликою). Теоретики продовжують шукати рішення. Один з варіантів розрахунків «дав» нашій системі десяту, трансплутонову планету з масою, близькою до маси Юпітера, відстанню від Сонця 9 мільярдів кілометрів і нахилом орбіти (до площини екліптики) 120 градусів. Вона повинна мати 13-14-зоряну величину. Але, хоча в її пошуках на фотопластинках проглядалися об’єкти до 16,5 зоряної величини, розрахункове дитя поки не виявлено. Дивуватися цьому не слід. Адже чим далі планета від Сонця, тим, за законами небесної механіки, повільніше вона рухається по орбіті. Десята планета повинна за рік зміщуватися серед зірок лише на частки градуса. Чи легко розрізнити такий зсув?

Крім того, природа настільки віддалених тіл (не виключають і одинадцяту, дванадцяту планети…), їх фізичні характеристики, відбивна здатність можуть бути ще більш дивовижними, ніж у Плутона, що може накласти додаткові труднощі на пошуки.

Треба сказати, що нетривіальні небесні характеристики Плутона і перш за все, звичайно, його дивна орбіта породили і досить екзотичну гіпотезу про «заблукалого сина». Чи не був колись Плутон супутником Нептуна? Сьогодні у цієї планети-гіганта два супутники, що дуже розрізняються за своєю поведінкою! Крихітна Нереїда обертається на відстані мільйонів кілометрів від Нептуна по такому вузькому еліпсу, що її максимальне віддалення від Нептуна в десять разів більше мінімального. Солідний Тритон «крутиться» буквально під боком (350 тисяч кілометрів), причому практично по круговій орбіті. Самі ж орбіти супутників лежать в різко різних площинах.

Звідки такий різнобій? Чи не трапився в минулому в сімействі Нептуна катаклізм, що істотно змінив вигляд сонячних околиць? В результаті Плутон був викинутий на самостійну орбіту, Тритон змінив напрямок руху на зворотний, а Нереїда, ледве втримавшись в гравітаційному полі «господаря», кардинально змінила нахил і форму орбіти.

Принципової заборони на такі події немає, інше питання – що було їх причиною? Нещодавно співробітники Вашингтонської обсерваторії Р. Харрінгтон і Томас Ван Фландерном припустили, що через систему Нептуна свого часу пройшов масивний космічний об’єкт. Щоб перевірити цю гіпотезу, вони виконали програму досліджень на комп’ютері, імітуючи тисячі варіантів: змінювали масу гіпотетичного об’єкта, швидкість його зближення з системою, кут підходу. Було виявлено, що до ситуації, характерної для сучасного положення Нептуна і Плутона, могло привести повільне проходження через орбіти супутників Нептуна (в тому числі і Плутона) об’єкта з масою, рівною 2-5 масам Землі. Більш велике тіло могло б повністю зруйнувати, об’єкт меншої маси надав би недостатній ефект.

Якщо все так і було, то, питається, що за небесний мандрівник справив описуваний переполох і, головне, куди він потім подівся? Харрінгтон і Ван Фландерном не виключають, що це була планета, що обертається навколо Сонця по сильно витягнутій орбіті. Зараз вона може перебувати на настільки далекій її ділянці, що не проглядається навіть в найбільші телескопи.

Так чи не ця невидимка викликає досі не отримані пояснення в русі зовнішніх планет?

Автор: О. Борисов.