Космическая кадриль и поиск Планеты Икс на «кончике пера»

Инопланетян на Планете X, наверное, нет, но от этого её история не становится неинтересной.
http://alex-anpilogov.livejournal.com/116903.html
Недавнее обострение поисков транснептуновых объектов в нашей собственной Солнечной системе, о котором я рассказывал в статье о загадочной Gna, получило ещё один толчок.
На этот раз новости пришли не с околоземной орбиты и не с высокогорных площадок наземных телескопов, а из тиши кабинетов математиков.Недавняя статья о гипотетической «Планете Х» за авторством «убийцы Плутона» Майкла Брауна и молодого математического гения Константина Батыгина вновь возвращает нас к моменту открытия самого Нептуна, который был обнаружен немецкими астрономами Галле и д'Арле в 1846 году после поразительно точного расчёта его возможного местоположения, проведенного французским математиком Урбеном Леверье.


Именно открытие Нептуна послужило примером открытия, совершённого «на кончике пера», когда кабинетный учёный с помощью «голой» математики позволял экспериментаторам значительно сузить круг своих поисков и совершить открытие не методом «научного тыка» (именуемым нынче «стратегией прямого перебора вариантов», а то и превращающейся в модный «метод Монте-Карло»), а используя заранее вычисленный и проверенный результат, который только остаётся подтвердить экспериментом, проведенным в предложенных условиях.

Кроме Нептуна, в качестве открытия «на кончике пера» можно предложить и открытие следующей планеты, Плутона, которое совершил американский астроном Клайд Томбо в 1930-м году.  Но тут мы упираемся в оборотную стороны медали, которую часто вешают на грудь теоретической науки — любой эксперимент, который кажется нам «безусловным подтверждением» самой красивой теории, обладает своей собственной научной ценностью. И, в целом, отнюдь не должен трактоваться и подгоняться под положения предсказавшей его теории («принцип научной фальсификации»).

Именно такой случай произошёл и с открытием Плутона: несмотря на обнаружение его Клайдом Томбо в предсказаном месте за орбитой Нептуна, Плутон оказался слишком мал для объяснения возущений орбиты Урана. Впоследствии, уже в конце ХХ века, оказалось, что в 1930-х годах учёные имели неточные представления о массе самого Нептуна — её после пролёта мимо Нептуна космического аппарата «Вояджер-2» смогли померять с очень высокой точностью и уменьшили где-то на 0,5%.
Этой небольшой поправки в массе Нептуна вполне хватило для объяснения наблюдаемой динамики поведения орбиты Урана, а надобность в Плутоне, как в возмущающем объекте для Урана, пропала.
Но планета Плутон осталась с нами вплоть до 2006 года, когда вихрь открытий новых планет в поясе Койпера вывел Плутон из статуса «настоящих» планет и поместил его в статус обыденного, одного из многих объектов пояса Койпера — малых планет.


Картина открытых объектов пояса Койпера по состоянию на январь 2015-го года (бирюзовые точки). Дополнительно на карте показано Солнце (жёлтое), планеты-гиганты (красные), троянские астероиды Юпитера (серые), астероиды-кентавры (зелёные), троянские астероиды Нептуна (фиолетовые) и объекты рассеяного диска (оранжевые).

Приведенная схема, в которой у вас рябит в глазах от тысяч объектов пояса Койпера, не должна создавать у вас ложного впечатления о «толчее» объектов за орбитой Юпитера.

При собственных размерах объектов от десятков и сотен и до тысяч километров (самые крупные объекты пояса Койпера, малые планеты Плутон и Эрида — имеют диаметр в 2370 и 2320 км соответственно) между собой они разделены расстояниями в сотни миллионов и даже миллиарды километров. В силу чего, понятное дело, пояс Койпера скорее напоминает безжизненные пространства Антарктиды, на которых мы обсуждаем возможность столкновения «лоб в лоб» двух полярников, идущих навстречу друг другу с разных сторон ледового континента.

Однако, между собой все объекты пояса Койпера связаны незримыми нитями гравитационного взаимодействия, что за миллиарды лет существования нашей Солнечной системы сформировало их в различные группы объектов, каждая из которых связана с той или иной планетой-гигантом.

В настоящий момент времени, в ситуации устоявшегося гравитационного равновесия Солнечной системы, к объектам пояса Койпера относятся малые планеты и астероиды, чьи перигелии (самые близкие к Солнцу точки их орбит) находятся дальше орбиты Нептуна, или же — дальше 55 а.е. (1 астрономическая единица равна 150 млн. километрам и соответствует среднему расстоянию Земли от Солнца). Но эта ситуация сложилась отнюдь не сразу.

В начале начал, когда Солнечная система ещё только формировалась, объекты пояса Койпера располагались, согласно современнымкомпьютерным моделям, гораздо ближе к Солнцу и их было гораздо больше. Это то самое «допущение кончика пера», которое мы сейчас уже проверить, конечно, не можем, но которое достаточно хорошо объясняет как нынешние орбиты и состояние планет-гигантов, так и современные орбиты оставшихся объектов наблюдаемого пояса Койпера.


Орбиты планет-гигантов: Юпитера (зелёный), Сатурна (оранжевый), Урана (голубой) и Нептуна (синий), а также местоположение основных объектов пояса Койпера. Слева — по окончанию формирования планет-гигантов, в середине — после установления резонанса Юпитер-Сатурн 1:2 и после выброса Урана и Нептуна в начальный пояс Койпера, справа — текущее состояние планет-гигантов и рассеяного, современного пояса Койпера.

Современный пояс Койпера, по текущим оценкам, где-то в 20-200 раз массивнее пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Учитывая, что сам по себе главный пояс астероидов составляет около 4% от массы Луны, а Луна в 81 раз легче нашей Земли, все астероиды главного пояса по массе равны лишь 0,05% массы нашей планеты, при этом половина этой массы сосредоточена в четырёх крупнейших объектах главного пояса — Церере, Палладе, Весте и Гигее.

Нетрудно посчитать, что современный пояс Койпера, будучи в 20-200 раз массивнее главного пояса астероидов, тоже «весит» немного — от 1 до 10% массы Земли.
Но начальный, сформировавшийся при рождении Солнца пояс Койпера, который был тогда был расположен практически полностью внутри нынешней орбиты Нептуна и лежал на расстояниях от Солнца в 30-55 а.е.

Согласно всё тем же компьютерным моделям начальный пояс Койпера был ещё где-то в 100 раз массивнее нынешнего, что приводит нас к мысли, что практичски вся его начальная масса (а это — от 1 до 10 масс Земли) рассеяна где-то в пространстве.
Учитывая, что масса современного Нептуна составляет 17,1 масс Земли, речь идёт о том, что ещё одну, тогда ещё не успевшую сформироваться из первоначального пояса планету-гигант просто раскидало по окраинам Солнечной системы в результате «гравитационных разборок» между уже сформировавшимися Юпитером и Сатурном, которые тогда и выясняли «кто здесь главный» на внутренней периферии Солнечной системы и выкинули Уран и Нептун в место недосформировавшегося пятого газового гиганта.


Этапы формирования Солнечной системы в представлении художника.

Почему это произошло? Почему Юпитер и Сатурн вытолкнули на периферию системы Уран и Нептун, разрушили ещё один, несформировавшийся планетоид планеты-гиганта в поясе Койпера и, возможно, отправили в вечное изгнание ещё одну планету, ту самую гипотетическую «Х» из заголовка? И почему Юпитер и Сатурн сформировались раньше, чем неудачный кандидат в планеты-гиганты из пояса Койпера и наша «планета Х»?

Всё дело в том, что, если опустить первые стадии формирования планетарной системы, которые интересны сами по себе, то основной кризис в орбитах выживших в начальных столкновениях планет наступает после того, как в системе сформировался первый газовый гигант. Этот монстр, который начинает выступать «злобным тираном» всей формирующейся звёздной системы, обычно образуется сразу за так называемой «линией льда» (англ. frost line) звёздной системы с протозвездой в центре.

Молодая звезда в центре ещё мощного газопылевого облака уже разгоняет газ и пыль своим излучением, и, кроме того, нагревает внутреннюю часть облака. В результате внутренняя часть облака содержит лишь твёрдые частицы при минимальном количестве водяного льда. Эта первая линия называется «линией сажи» (англ. soot line) и внутри неё вещество обеднено лёгкими соединениями — водой и углеводородами. Внутри этой «линии сажи» лежат сегодня все планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс, которые на фоне периферии Солнечной системы, очень бедны на лёгкие соединения.


Протозвезда, «линия сажи» внутри которой лежат планеты земной группы и «линия льда», за которой формируются планеты-гиганты. 98% протопланетного облака состоят из лёгких газов — водорода и гелия, которые не конденсируются даже при очень низких температурах.

Интересен регион между внутренней «линией сажи» и внешней «линией льда» в молодой системе. В этом регионе ещё невозможно образование частиц водяного, аммиачного а тем более — метанового льда, но уже возможно осаждение в твёрдую фазу различных тяжёлых углеводородов, от гептана, октана и бензола — и вплоть до самых тяжёлых битумов. В этой зоне, кстати, в Солнечной системе располагается главный пояс астероидов, что может привести к тому, что внутренности Цереры, Паллады, Весты и массы других астероидов помельче могут быть богаты на настоящую неорганическую нефть.

Однако большая часть «выдутой» температурой и нарождающимся солнечным ветром из внутренней системы воды, конденсируется ещё не тут, а сразу же за «линией льда», где вода уже окончательно превращается в лёд. Воды в изначальном газрпылевом облаке на порядки больше, чем бензола или октана, и поэтому образование микрочастиц льда за «линией льда» идёт гораздо быстрее, чем за «линией сажи» образуется какой-нибудь битум. За счёт обогащения льдом пространства около «линии льда» эта часть системы накапливает громадные количества вещества, которые и запускают процесс роста первого газового гиганта, образуя его ледяное ядро.


Анимация эволюции начальной планетной системы после образования в ней первой планеты-гиганта (чёрным). По шкале спектра показано содержание льда в начальных протопланетных телах (планетезималях), по оси ординат — эксцентриситет орбит. Вся анимация занимает время всего лишь около 10 миллионов лет. «Линию сажи» и «линию льда» можете найти на видео самостоятельно. Первичный пояс Койпера расположен позади (справа) от «поршня» Юпитера.

Если сравнить современные массы планет-гигантов, то можно увидеть, что они монотонно уменьшаются по удалению от центра Солнечной системы: Юпитер имеет массу в 317 раз превышающую массу Земли, Сатурн больше нашей планеты в 95 раз, Уран имеет массу в 14,6 земных, а Нептун больше Земли в 17,1 раз. Это, в целом, соответствует тому, что самый первый и самый большой газовый гигант формируется на внутреннем крае первичного ледяного тора вокруг молодой звезды, однако в этом случае всё-таки Уран должен был бы быть немного тяжелее Нептуна, а существующее положение вещей — противоположно.

Но мы, опять-таки, можем наблюдать лишь сегодняшние массы Урана и Нептуна, которые, после того, как их выкинуло гравитацией более массивных Юпитера и Сатурна, судя по всему, испытывали ещё массу соударений с более мелкими объектами изначального пояса Койпера.

Так, нынешний Уран, хоть он и чуть легче и чуть больше Нептуна (он — менее плотный, чем Нептун), вращается буквально «лёжа на боку», с наклонением оси собственного вращения на угол в 97,77° к эклиптике (плоскости Солнечной системы). Такой наклон собственной оси вращения Урана к плоскости эклиптики свидетельствует о том, что он испытал в прошлом достаточно сильное столкновение с небесным телом как минимум сравнивого с ним размера.

Похожая ситуация, кстати, произошла и с нашей Землёй на заре образования Солнечной системы, когда она практически «в лобовую» столкнулась с планетой похожего размера, образовавшейся на схожей с земной орбите. Эту гипотетическую планету, погибшую при столкновении с Землёй, называют Тейя.


Столкновение Тейи с прото-Землёй в представлении художника.

Остатком от столкновения Тейи с Землёй является наша собственная Луна. Раньше считалось, что Земля и Тейя столкнулись по касательной, под углом около 45°, но теперь, исходя из анализа породы лунного грунта, можно сказать, что это был практически лобовой удар.

Откуда появилась Тейя на орбите Земли? Каждая пара крупных гравитирующих тел порождает вокруг себя гравитационное поле, в котором есть несколько «тихих заводей», в которых более мелкие тела находятся в равновесии, испытывая равное притяжение от каждого из более крупных гравитирующих тел.
Такие точки ещё назыываются точками либрации или точками Лагранжа. Всего их в системе двух тел пять, называющихся L1, L2, L3, L4 и L5.


Точки Лагранжа в системе Солнце-Земля.

Вблизи от точек Лагранжа в системе двух массивных гравитирующих тел любая малая масса чувствует себя в относительной безопасности: притяжение больших тел практически полностью компенсируется, в силу чего какой-нибудь астероид буквально оказывается «впечатанным» в пространство соответствующей точки Лагранжа, испытывая при этом только периодические возмущения от других, более далёких массивных тел. Точки Лагранжа находятся при этом в орбитальном резонансе с более лёгким гравитирующем телом в паре: точки L1-L5 находятся как бы в жёсткой сцепке с Землёй в системе Солнце-Земля или с Луной в системе Земля-Луна, двигаясь по очень похожей орбите с такой же орбитальной скоростью, как и меньшее тело из пары двух основных тел. Такое состояние ещё назвается орбитальным резонансом 1:1.

Почему и когда Тейя вышла из своей «тихой заводи» в точке L4 Лагранжа — мы сейчас уже не знаем. Скорее всего, этому способствовало какое-то другое массивное тело — возможно, та же самая Венера, которая может проходить «всего лишь» в 0,3 а.е. от точек Лагранжа в системе Солнце-Земля.
Но дальше Тейя уже была обречена — её орбита во многом стала хаотической и за очень короткий промежут времени, буквально в течении десятка лет, она сблизилась с Землёй, чуть не погубила её, но и подарила нам наш удивительный естественный спутник, который во многомопределяет уникальность Земли.


Анимация «похода» Тейи (чёрным) из точки L4 Лагранжа к Земле (синим) и образование Луны (красным). Солнце (жёлтое) и размеры планет, как и расстояние до Луны показаны не в масштабе.

Самая известная группа нынешних тел из точек Лагранжа — это так называемые «троянские» астероиды Юпитера, которые движутся перед ним и после него по той же орбите, находясь в точках L4 и L5 его орбиты.
«Троянцы» разделены на две группы: в точке L4, опережая Юпитер по орбите на 60°, идут «греки», а отставая от Юпитера на те же 60°, за ним по орбите следуют «троянцы».
В настоящий момент времни уже открыто около 6000 троянских астероидов Юпитера, но по всем расчётам их будет более миллиона, если посчитать все тела размером от километра и больше.
Есть свои открытые троянские тела и у Нептуна (13 астероидов) и у Марса (7 астероидов). Нашёлся свой «троянец» и у Земли, но бояться его, пожалуй, не стоит — в отличии от громадной Тейи его размер составляет всего около 300 метров в поперечнике, в силу чего его нашли в 2011 году просто на том же «кончике пера», пристально наблюдая за точкой L4 земной орбиты.

Вот общая картинка троянских астероидов Юпитера:


Зелёными точками тут показаны троянские астероиды, а красными точками — семейство Хильды. Орбиты Юпитера и внутренних планет показаны в масштабе, размеры небесных тел, понятное дело — нет.

Кроме троянских астероидов, движущихся вместе с Юпитером в резонансе 1:1 рядом с ним путешествует ещё одно семейство — Хильды, которые последовательно проходят своими афелиями (самыми удалёнными от Солнца точками орбиты) точки L3, L4 и L5 системы Солнце-Юпитер.
Каждый из астероидов семейства Хильды движется по своей собственной эллиптической орбите, однако в любой момент они в своей общей совокупности сохраняют треугольную конфигурацию, именуемую ещё «треугольником Хильд». Для большинства астероидов семейства расположение на орбите может быть произвольным, за исключением объектов, находящихся во внешней части вершин треугольников, вблизи точек Лагранжа. Треугольник Хильды оказался на удивление динамически-стабильным объектом — согласно всем расчётам эта конструкция, существующая с Юпитером в другом резонансе, именуемым 3:2 (3 оборота астероидов вокруг Солнца приходится 2 оборота Юпитера), может находится в равновесии миллионами и десятками миллионов лет.

Именно на этой фразе мы и поставим многоточие в нашем рассказе, чтобы потом перейти к детальному описанию того, что нам показывает «кончик пера» в случае анализа орбит объектов пояса Койпера и в продолжающихся поисках гипотетической «Планеты Х».