Пояс Койпера

Пояс Койпера

Пояс Ко́йпера (иногда также называемый пояс Э́джворта — Койпера) — область Солнечной системы от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояния около 55 а. е. от Солнца [1] . Хотя пояс Койпера похож на пояс астероидов, он примерно в 20 раз шире и в 20—200 раз массивнее последнего [2] [3] . Как и пояс астероидов, он состоит в основном из малых тел, то есть материала, оставшегося после формирования Солнечной системы. В отличие от объектов пояса астероидов, которые в основном состоят из горных пород и металлов, объекты пояса Койпера состоят главным образом из летучих веществ (называемых льдами), таких как метан, аммиак и вода. В этой области ближнего космоса находятся по крайней мере три карликовые планеты: Плутон, Хаумеа и Макемаке. Кроме того, считается, что некоторые спутники планет Солнечной системы, такие как спутник Нептуна — Тритон и спутник Сатурна — Феба, также возникли в этой области [4] [5] .

С тех пор, как в 1992 году пояс был открыт [6] , число известных объектов пояса Койпера (оПК) превысило тысячу, и предполагается, что ещё более 70 000 оПК с диаметром более 100 км пока не обнаружены [7] . Ранее считалось, что пояс Койпера — главный источник короткопериодических комет с орбитальными периодами менее 200 лет. Однако наблюдения, проводимые с середины 1990-х годов, показали, что пояс Койпера динамически стабилен и что настоящий источник этих комет — рассеянный диск, динамически активная область, созданная направленным вовне движением Нептуна 4,5 миллиарда лет назад [8] ; объекты рассеянного диска, такие как Эрида, похожи на оПК, но уходят по своим орбитам очень далеко от Солнца (до 100 а. е.).

Плутон — крупнейший известный объект пояса Койпера. Первоначально он считался планетой, но, так как он принадлежит поясу Койпера, то был классифицирован как карликовая планета. По составу Плутон напоминает прочие объекты пояса Койпера, а его период обращения позволяет отнести его к подгруппе оПК под названием «плутино». В честь Плутона подгруппу из четырёх известных на данный момент карликовых планет, обращающихся за орбитой Нептуна, называют «плутоидами».

Пояс Койпера не следует путать с гипотетическим облаком Оорта, которое расположено в тысячи раз дальше. Объекты пояса Койпера, как и объекты рассеянного диска и облака Оорта, относят к транснептуновым объектам (ТНО) [9] .

Орбитальный резонанс

Ключ к пониманию потери массы заключается в другом сделанном нами наблюдении. Оно состоит в том, что объекты пояса Койпера «привязаны» орбитальным резонансом Нептуна. Это значит, что их сидерический период обращения, деленный на сидерический период Нептуна, — это отношение малых целых чисел. Например, в резонансе от 3 до 2 Нептун трижды обходит Солнце за то же время, за которое объекты пояса Койпера успевают обогнуть Солнце только два раза. Это значит, что сила притяжения Нептуна действует на тела в той орбите, поэтому сила растет, как когда мы качаем качели и сила приумножается со временем.

Это открытие сделала Рену Малхотра из Аризоны в 1990-х годах вскоре после открытия пояса Койпера. Наблюдение за первыми резонансными объектами привело к появлению этой прекрасной модели. Но вопрос в том, как затянуть эти объекты в резонанс. Если просто разбросать объекты пояса Койпера, немногие из них войдут в такой резонанс, какой мы наблюдаем. Рену объяснила и это. Она отталкивалась от работ Фернандеза и Уинга Ипа, в которых говорилось, что планеты мигрируют. Радиусы орбит планет не всегда были такими, как сейчас: Нептун, к примеру, сначала был ближе к Солнцу, а затем двигался по направлению от него.

И пока он отходил дальше, его резонансы выталкивались и собирали объекты пояса Койпера. Это похоже на то, как снег собирается в лопате, когда мы ее в него заталкиваем. По мере того как резонанс пересекал пояс Койпера, объекты к нему «прилипали». Это объясняет, почему в орбитальном резонансе так много объектов. Это единственное объяснение тому, почему в резонансе с Нептуном находится так много тел. Пояс Койпера показывает, что планеты сформировались не на тех орбитах, на которых они находятся сейчас. Они мигрируют.

Впервые о присутствии других объектов заявил Фрекрик Леонард, назвавший их ультра-нептуновыми небесными телами за чертой Плутона. Тогда Армин Лейшнер посчитал, что Плутон может выступать всего лишь одним из многих долгопериодических планетных объектов, которые еще предстоит отыскать. Ниже представлены крупнейшие объекты Пояса Койпера.

Крупнейшие объекты пояса Койпера

В 1943 году Кеннет Эджворт опубликовал статью. Он писал, что материал за Нептуном слишком рассредоточен, поэтому не может слиться в более крупное тело. В 1951 году в обсуждение вступает Джерард Койпер. Он пишет о диске, появившемся в начале эволюции Солнечной системы. Идея с поясом всем понравилась, потому что она объясняла откуда прибывают кометы.

В 1980 году Хулио Фернандес определил, что Пояс Койпера находится на удаленности в 35-50 а.е. В 1988 году появляются компьютерные модели на основе его расчетов, которые показали, что Облако Оорта не может отвечать за все кометы, поэтому идея с поясом Койпера обретала больше смысла.

Читать еще:  Что, если черная дыра в центре Млечного Пути на самом деле была… темной материей?

В 1987 году Дэвид Джуитт и Джейн Лу занялись активными поисками объектов, используя телескопы в Национальной обсерватории Кит-Пика и Обсерваторию Серро-Тололо. В 1992 году они объявили об открытии 1992 QB1, а через 6 месяцев – 1993 FW.

Во многих статьях авторы начали называть гипотетический участок поясом Койпера, которое и закрепилось как официальное наименование.

Но многие не согласны с этим названием, потому что Джерард Койпер имел в виду нечто иное и все почести следует отдать Фернандесу. Из-за возникших споров в научных кругах предпочитают использовать термин «транс-нептунианские объекты».

Кто открыл пояс Койпера?

Он назван в честь голландского астронома Джерарда Койпера, хотя он и не предполагал его существования. Однако его исследования были хорошо известны среди исследователей, так что общая идея пояса Койпера стала приписываться ему.

В 1943 году независимый астроном-теоретик Кеннет Эджворт опубликовал статью, в которой высказал гипотезу, что материалы за пределами орбиты Нептуна слишком широко рассеяны, чтобы конденсироваться в планеты.

Вместо этого эти материалы конденсируются в несколько меньших тел во внешней области Солнечной системы. Время от времени некоторые из этих тел уходят из своего региона и появляются как случайные посетители внутренней Солнечной системы, которую мы называем кометами.

Благодаря невероятной работе Эджворта, ученые иногда используют альтернативное название «Пояс Эджворта-Койпера», чтобы приписать ему заслуги.

В 1992 году астроном Дэвид Джевитт и его ученица Джейн Луу обнаружили кандидата в КВО 1992 года QB1. Это была первый объект в поясе Койпера, обнаруженная после Плутона и Харона. Почти полгода спустя, они обнаружили второй объект (181708) 1993 FW.

К настоящему времени астрономами открыто более 2000 объектов в поясе Койпера, и считается, что в регионе существует более 100 000 крупных объектов на расстоянии более 100 км.

Его открыли, потому что очень этого хотели

Строение Солнечной системы

Астрономы только предполагали наличие объектов за Плутоном. Споры велись весь двадцатый век. В 1943 г. Кеннет Эджворт выдвинул гипотезу, что кометы, посещающие Солнечную систему, это небесные тела, проживающие за её внешней границей. По неизвестным причинам они покидают привычные места и путешествуют ближе к Солнцу. Своё имя Пояс Койпера получил от Джерарда Койпера. Астроном говорил о возможности наличия диска из множества ледяных тел, но считал влияние Плутона достаточно сильным. Предполагал, что Плутон рассеял тела к далёкому облаку Оорта.

По мере того, как учёные обнаруживали на орбитах Урана, Сатурна, Нептуна ледяные планетоиды, гипотеза об огромном скоплении таких тел крепла и ждала своего подтверждения. Доказательство нашли Девид Джуит и Джейн Лу. Пять лет фотографировали и изучали кажущуюся пустоту. В августе 1992 года они увидели первый объект пояса Койпера, затем, через шесть месяцев, второй объект. Сейчас, в ходе исследования известных тел, продолжают открывать всё новые и новые объекты.

Классический пояс Койпера — его самый густонаселенный объектами участок Солнечной системы. На вопрос где находится пояс Койпера можно только дать пока один ответ — между 42 и 48 АЕ расстояниями от Земли и Солнца.

Орбита космических тел в этой области по большей части остается стабильной, хотя некоторые объекты иногда немного меняются, когда они слишком приближаются к Нептуну.

В поясе Койпера обнаружено более тысячи объектов, и теоретически предполагается, что существует до 100000 космических тел диаметром более 100км. Учитывая их малый размер и гигантское расстояние от Земли, химический состав таких объектов очень трудно определить.

Однако спектрографические исследования, проведенные в этой области Солнечной системы с момента ее открытия, в целом показали, что ее элементы состоят в основном изо льдов: смеси легких углеводородов (таких как метан), аммиака и водяного льда-композиции, которую они разделяют с кометами. Первоначальные исследования также подтвердили широкий диапазон цветов среди объектов — от нейтрального до глубокого красного.

Это говорит о том, что их поверхности состоят из широкого спектра соединений, от грязных льдов до углеводородов. В 1996 году Роберт Х. Браун получил спектроскопические данные на объект KBO 1993SC, показывающие, что состав его поверхности похож на тот, что у Плутона, а также на луну Нептуна — Тритон, имеющую большие количества метанового льда.

С 2000 года было обнаружено несколько космических тел с диаметром от 500 до 1500 км, что более чем наполовину меньше площади Плутона. 50000 Quaoar, классический астероид, открытый в 2002 году, составляет более 1200 км в поперечнике. Makemake и Haumea, объявленные, как малые планеты 29.07.2005 года. Другие объекты, такие как 28978 Ixion (обнаруженный в 2001 году) и 20000 Varuna (обнаружен в 2000 году), имеют размеры примерно пол тысячи км в поперечнике.

Пояс Койпера и другие звездные системы

Остаточные диски — это аналоги пояса Койпера, которые находятся вокруг других звезд. Многие звезды того же типа, что и Солнце, имеют диски из пыли, в которых частички пыли в диске не могут жить долго. Мы можем посчитать, как долго существует пыль, и этот срок невелик. Тот факт, что звезда все еще имеет пылевой (или остаточный пылевой) диск, означает, что пыль появляется из какого-то источника. Модель пояса Койпера — это лучший известный нам источник пыли. Одно отличие состоит в том, что большинство остаточных дисков более массивны, чем пояс Койпера. Это сходится с той мыслью, что пояс Койпера был гораздо более массивен, чем он есть сейчас. Если посмотреть на массивные остаточные кольца, можно понять, как выглядела молодая Солнечная система.

Читать еще:  Черная дыра: что это и как она формируется?

На каких планетах человечество найдет убежище после уничтожения Земли? Главное

Ученые полагают, что когда Солнце начнет резко расти, его внешние слои будут расширяться до тех пор, пока звезда не поглотит планеты, включая Землю. Но главный исследователь миссии НАСА «Новые горизонты», доктор наук Алан Стерн, рассказал, куда могут сбежать земляне. Спойлер — речь не о Марсе. Рассказываем, какие миры станут пригодными для жизни и как вырастет Солнце.

Читайте «Хайтек» в

С чего все началось?

Солнце — звезда в центре Солнечной системы — сфера горячей плазмы, которая является важнейшим источником энергии для жизни на Земле. Хотя Солнце кардинально не менялось более 4 млрд лет, ученые считают, что оно прошло примерно половину своего жизненного цикла. В настоящее время оно превращает около 600 млн тонн водорода в гелий каждую секунду, превращая в результате четыре миллиона тонн вещества в энергию.

Но эксперты говорят, что примерно через пять миллиардов лет звезда исчерпает запасы энергии и радикально изменит Солнечную систему.

Исследователи полагают, что когда Солнце начнет резко расти, его внешние слои будут расширяться до тех пор, пока звезда не поглотит планеты, включая Землю.

Но главный исследователь миссии НАСА «Новые горизонты» доктор наук Алан Стерн обнаружил, что, хотя это может убить любую жизнь на Земле, оно также может создать обитаемые миры в самых холодных уголках космоса.

Как погибнет Солнце и Земля?

Сейчас Солнце — очень стабильная звезда с водородом, который проходит ядерный синтез, превращаясь в гелий и энергию. Энергия, утекающая из ядра в верхние слои звезды, сохраняет стабильное состояние Солнца более 4 млрд лет.

Но со временем в ядре накапливается гелий. Для его реакций требуется большее давление и более высокая температура, поэтому сейчас гелий инертен. Он просто находится в ядре, медленно нагреваясь. Примерно через 6 млрд лет у Солнца закончится водород в ядре, оно ​​сожмется и нагреется до предельных температур. В конце концов, спустя несколько сотен миллионов лет условия в ядре Солнца станут настолько ужасными, что гелий начнет плавится, превращаясь в углерод и кислород. Они будут накапливаются в ядре, генерируя огромное количество энергии.

Все это происходит глубоко в ядре Солнца. Внешние слои реагируют на это медленно, но реагируют. Когда начинается синтез водородной оболочки, внешние слои раздуваются, превращая Солнце в красного гиганта.

Когда Солнце станет красным гигантом, оно станет достаточно большим, чтобы поглотить Меркурий и Венеру. Они буквально какое-то время будут существовать внутри Солнца. В конечном итоге эти планеты полностью испарятся.

Судьба Земли не так ясна. Ветер из субатомных частиц, как сейчас солнечный ветер, станет намного плотнее. Солнце потеряет достаточно массы, чтобы его гравитация ослабла, а это означает, что орбиты планет расширятся. Проблема в том, что Земля в значительной степени находится на границе, разделяющей ее поглощение красным гигантом Солнцем и достаточно далеко, чтобы избежать этой участи. Это зависит от детальной физики, например, сколько массы потеряет Солнце. В любом случае условия на планете станут невыносимыми.

Куда сбежать землянам?

В начале 2020 года доктор наук Алан Стерн, ученый из НАСА, наиболее известный как главный исследователь миссии New Horizons по изучению Плутона и пояса Койпера, подробно описал судьбу Земли после того, как Солнце станет красным гигантом.

«В конце жизни Солнца — в фазе красных гигантов — территория пояса Койпера станет метафорическим Майами-Бич».

Доктор Стерн считает, что любые оставшиеся люди могут найти убежище на Плутоне и других далеких карликовых планетах в поясе Койпера — регионе за Нептуном, заполненном ледяными космическими камнями. По мере расширения Солнца условия в этих мирах резко изменятся и станут более пригодными.

Сегодня карликовые планеты, такие как Плутон, содержат много водяного льда и сложных органических материалов, а под поверхностью некоторых из них есть океаны. Но температура поверхности этих внеземных тел на сотни градусов ниже нуля.

Однако когда Солнце станет красным гигантом, температура на поверхности Плутона будет примерно такой же, как средние температуры на поверхности Земли сейчас.

Еще в исследовании, опубликованном в журнале Astrobiology в 2003 году, Стерн оценивал перспективы жизни во внешней Солнечной системе после того, как звезда войдет в свою финальную стадию жизни. А уже три года спустя он возглавил командование межпланетной космической миссией. Зонд, отправленный к Плутону в рамках программы New Frontiers («Новые горизонты»), направлен с целью углубления понимания Солнечной системы.

Что находится на границе Солнечной системы?

За газовым гигантом Нептуном находится область космоса, заполненная ледяными телами. Это холодное пространство, известное как пояс Койпера, содержит триллионы объектов — остатков ранней Солнечной системы.

В 1943 году астроном Кеннет Эджворт предположил, что за пределами Нептуна могут существовать кометы и более крупные тела. А в 1951 году астроном Джерард Койпер предсказал существование пояса ледяных объектов на дальнем краю Солнечной системы. Сегодня кольца, предсказанные этой парой, известны как пояс Койпера или пояс Эджворта-Койпера.

Несмотря на свои огромные размеры, пояс Койпера не был открыт до 1992 года астрономами Дэйвом Джуиттом и Джейн Луу. По данным НАСА , пара ученых «упорно сканировала небо в поисках тусклых объектов за орбитой Нептуна» с 1987 года, который был каталогизирован как «1992 QB1».

Читать еще:  Астрономы находят молодые звезды в старой части Млечного пути

С тех пор астрономы обнаружили несколько интригующих объектов пояса Койпера и потенциальных планет в этом регионе. Миссия НАСА «Новые горизонты» продолжает обнаружение ранее скрытых планет и объектов, помогая ученым больше узнать об этой уникальной реликвии Солнечной системы.

Что такое пояс Койпера?

Подобно поясу астероидов, пояс Койпера — это регион, оставшийся от ранней истории Солнечной системы. Как и пояс астероидов, он также был сформирован планетой-гигантом, хотя это скорее толстый диск (похожий на пончик), чем тонкий пояс.

Когда образовалась Солнечная система, большая часть газа, пыли и горных пород собралась вместе, образуя Солнце и планеты. Затем планеты унесли большую часть оставшегося мусора на Солнце или за пределы Солнечной системы. Но объекты на краю Солнечной системы были достаточно далеко, чтобы избежать гравитационного притяжения гораздо более крупных планет, таких как Юпитер, и поэтому им удавалось оставаться на своем месте, когда они медленно вращались вокруг Солнца. Пояс Койпера и его соотечественник, более далекое и сферическое Облако Оорта, содержат остатки, оставшиеся от начала создания Солнечной системы, могут дать ценную информацию о ее рождении.

Согласно модели Ниццы — одной из предложенных моделей формирования солнечной системы — пояс Койпера мог образоваться ближе к Солнцу, рядом с тем местом, где сейчас вращается Нептун. В этой модели планеты участвовали в сложном танце, в котором Нептун и Уран менялись местами и двигались наружу, прочь от Солнца. По мере того как планеты удалялись от Солнца, их гравитация могла унести с собой многие объекты пояса Койпера, уводя крошечные объекты впереди, когда мигрировали ледяные гиганты. В результате многие объекты пояса Койпера были перемещены из региона, в котором они были созданы, в более холодную часть Солнечной системы.

Самая густонаселенная часть пояса Койпера находится в 42–48 раз больше Земли от Солнца. Орбита объектов в этой области остается по большей части стабильной, хотя иногда курс некоторых объектов немного меняется, когда они дрейфуют слишком близко к Нептуну.

Ученые подсчитали, что тысячи тел диаметром более 100 км (62 миль) перемещаются вокруг Солнца в пределах этого пояса, вместе с триллионами более мелких объектов, многие из которых являются короткопериодическими кометами. В регионе также есть несколько карликовых планет — круглые миры, слишком большие, чтобы считаться астероидами, но слишком маленькие, чтобы считаться планетами.

Объекты пояса Койпера

Плутон — самая большая из известных ледяных карликовых планет. Плутон был первым наблюдаемым настоящим объектом пояса Койпера (Kuiper belt objects, KBO), хотя ученые в то время не признавали его таковым до тех пор, пока не были обнаружены другие объекты KBO. Когда Джуитт и Луу открыли пояс Койпера, астрономы вскоре увидели, что область за Нептуном полна ледяных скал и крошечных миров.

Седна — самая массивная и вторая по величине известная карликовая планета в нашей Солнечной системе, KBO размером примерно три четверти размера Плутона, была открыта в 2004 году. Она так далеко от Солнца, что требуется около 10 500 лет, чтобы совершить один оборот. Седна имеет ширину около 1 770 км и вращается вокруг Солнца по эксцентрической орбите в диапазоне от 12,9 до 135 млрд км.

В июле 2005 года астрономы обнаружили Эриду, КБО, которая немного меньше Плутона. Эрида обращается вокруг Солнца примерно раз в 580 лет, путешествуя почти в 100 раз дальше от Солнца, чем Земля. Его открытие показало некоторым астрономам проблему классификации Плутона как полномасштабной планеты. Согласно определению Международного астрономического союза (МАС) от 2006 года, планета должна быть достаточно большой, чтобы очистить окрестности от мусора. Плутон и Эрида, окруженные поясом Койпера, явно не смогли этого сделать. В результате в 2006 году Плутон, Эрида и самый большой астероид Церера были реклассифицированы МАС как карликовые планеты. Еще две карликовые планеты, Хаумеа и Макемаке, были обнаружены в поясе Койпера в 2008 году.

Хаумеа (780 км) — самая быстро вращающаяся карликовая планета с кольцом вокруг нее. Макемаке (715 км) — вероятно, карликовая планета со своим спутником.

Астрономы сейчас пересматривают статус Хаумеа как карликовой планеты. В 2017 году, когда объект прошел между Землей и яркой звездой, ученые поняли, что он больше удлинен, чем круглый. Согласно определению МАС, окружность — один из критериев карликовой планеты. Удлиненная форма Хаумеа могла быть результатом его быстрого вращения; день на объекте длится всего около четырех часов.

Пояс Койпера действительно является границей в космосе — это место, которое ученые только начинают исследовать. Возможно, через миллиарды лет он станет новым домом для землян.

Это сферическое скопление комет, в котором преобладают ледяные объекты. Оно представляет собой границу Солнечной системы, состоящую из двух частей: оболочки и внутреннего диска. Это нетипичное явление для звездных систем, но нельзя точно сказать, что такого больше нигде нет.

Ян Оорт – астроном из Голландии – исследовал разные межзвездные области. Именно он первым высказал предположение о том, что кометы с долгим периодом зарождаются в области на границе Солнечной системы. Скорее всего, это облако образовалось из диска плотного газа, который в свою очередь появился около еще совсем молодого Солнца в начале формирования нашей системы. Таким образом, этому облаку сейчас может быть более 4,5 миллиардов лет. По сути облако Оорта – это продолжение пояса Койпера, но о его существовании до самого Оорта никто даже не догадывался.

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector