Разведка далеких планет

Сурдин Владимир Георгиевич

Рис. 7.6. Слева: наилучшее изображение Квавара, собранное из 16 снимков, полученных в 2002 г. космическим телескопом «Хаббл». Справа: Эрида и ее спутник Дисномия (внизу слева) размером порядка 100 км. Спутник движется вокруг Эриды по круговой орбите радиусом 36400 км с периодом 15,77 сут. Фото: HST NASA

Зная расстояние до объекта и измерив его излучение в широком диапазоне спектра – от видимого до ИК, легко вычислить, сколько солнечных лучей он перехватывает, а значит – каков его размер (предполагается, что собственных источников тепла у маленького тела нет). Используя данные наземных и космических ИК-обсерваторий, включая «Спитцер» (NASA),

астрономы оценили диаметр Квавара примерно в 850 км. Даже учет некоторых тонких эффектов позволяет сейчас «натянуть» размер Квавара максимум до 900 км. По этой причине Квавар пока не включают в группу планет-карликов, а считают лишь кандидатом в нее.

Похожая история произошла и с Седной: первоначально ее размер предполагался около 1700 км, а позже был снижен до 1200:1600 км. Еще больше неопределенность у Варуны: за пять лет (2002–2007 гг.) оценка ее диаметра уменьшилась с 1000 до 500 км. Казалось бы, такие различия размеров не очень важны, но дело в том, что у многих крупных ТНО обнаружены спутники, наблюдение за движением которых позволяет очень точно определить массу главного тела. Если же мы ошибаемся при измерении его размера, скажем, на 30 %, то вдвое ошибаемся при вычислении объема, а значит, и средней плотности. А ведь именно средняя плотность характеризует состав и даже внутреннюю структуру твердого тела: 5:6 г/см³ – у тела есть металлическое ядро, 3:4 г/см³ – каменистое тело типа астероида, 1:2 г/см³ – льдистое тело типа ядра кометы. Иногда встречаются тела с плотностью менее 1 г/см³; их структура, по всей видимости, пористая. Пример – спутник Сатурна Гиперион, похожий на губку и имеющий плотность 0,57 г/см³.

Единственная транснептунная планета-карлик, размер которой удалось измерить весьма точно и даже получить грубое изображение поверхности, – это Плутон.

Рис. 7.7. Наиболее четкое изображение Плутона, полученное по снимкам космического телескопа «Хаббл». Пока трудно судить, что представляют собой эти пятна на поверхности. Загадочное яркое пятно в центре, судя по цвету, покрыто замерзшей окисью углерода. Детали поверхности Плутона мы увидим в 2015 г., когда к нему приблизится зонд «New Horizons» (NASA).

В этом существенно помогли прохождения Харона на фоне Плутона, наблюдавшиеся в 1985–1991 гг.: закрывая часть диска планеты, спутник помог просканировать ее и по вариациям яркости и цвета восстановить размер и вид поверхности. Очень ценными оказались и снимки с космического телескопа. Правда, диск Плутона занимает всего несколько пикселей на ПЗС-матрице «Хаббла». Чтобы получить изображение, имеющее более высокое разрешение, нежели размер пикселя, был использован метод субрастрирования (dithering). Для этого получают несколько последовательных изображений, каждый раз сдвигая приемник на известное расстояние, меньшее размера пикселя. Комбинация полученных снимков дает изображение с «субпиксельным» разрешением. Но для его восстановления понадобилось 4 года непрерывной работы 20 компьютеров. Исходные снимки Плутона были сделаны «Хабблом» в 2002–2003 гг., а итоговое изображение впервые опубликовано лишь в 2010 г. (см. рис. 7.7 и с. 10 цветной вкладки).

Только точное измерение размера и массы тела позволяет вычислить его среднюю плотность, узнать характерный состав и решить, можно ли зачислить это тело в группу планет-карликов. Расчеты показывают, что ледяные тела принимают округлую форму при диаметре более 400 км, а льдисто-каменистые тела типа Цереры – при диаметре более 900 км. По этим параметрам в Солнечной системе пока насчитывается 5 карликовых планет (табл. 7.4 и 7.5), но нет сомнения, что их намного больше: за Нептуном, вероятно, обнаружатся сотни льдистых тел размером более 400 км. Уже обсуждается несколько кандидатов в карликовые планеты. Сейчас в списке первоочередников около дюжины объектов размером более 650 км, среди которых Седна, Варуна, Квавар, Иксион (Ixion), Орк (Orcus), Веста, Паллада, Гигия и другие крупные объекты пояса астероидов и ТНО.

Таблица 7.4

Планеты-карлики: параметры орбиты (Q и q — расстояние в афелии и перигелии; i – наклонение орбиты к эклиптике)

Таблица 7.5

Планеты-карлики: физические параметры

Глядя на с. 13 цветной вкладки, вы наверняка удивитесь: как это яйцеобразная Хаумея попала в карликовые планеты? Действительно, ее форма отнюдь не сферическая. По результатам измерения телескопа «Кек», Хаумея –

это трехосный эллипсоид с длиной осей 1960х1518х х996 км. Как видим, у этого эллипсоида большая ось вдвое длиннее короткой! Казалось бы, тело такого размера должно было придать себе гидростатическую, а значит, круглую форму. А вот и нет! Мягкое тело в состоянии гидростатического равновесия принимает форму шара только в том случае, если не вращается. А вращение придает такому телу форму эллипсоида, сжатого вдоль оси вращения. Именно эту форму имеют планеты-гиганты и даже Земля. Однако при быстром вращении, когда центробежная сила становится сравнима с гравитационной, форма тела может стать более причудливой: например, эллипсоид может стать трехосным, вытянутым, что и произошло с Хаумеей. Ведь она вращается очень быстро, с периодом чуть менее 4 часов. При средней плотности тела около 3 г/см³ это почти на грани разрыва! Что вынудило Хаумею вращаться так быстро, доподлинно не известно, но есть основания предполагать, что это был мощный удар.

Различие характерных свойств в группе планет-карликов не больше, чем у планет земной группы. Их размеры различаются менее чем в 3 раза, а массы – менее чем в 20 раз (примерно таково различие между Землей и Меркурием). Остальные параметры еще ближе: так, ускорение свободного падения вблизи поверхности карликовых планет составляет 0,3:0,8 м/с², т. е. сила тяжести там приблизительно в 20 раз меньше, чем на Земле. В этом смысле планеты-карлики – просто идеальные объекты для будущих космических экспедиций. Вторая космическая скорость у их поверхности составляет около 1 км/с, что даже меньше, чем на Луне: посадка и взлет там не представляют серьезной проблемы. По этой же причине, вследствие малой скорости убегания, планеты-карлики практически лишены атмосферы: имея температуру поверхности 30:45 К (лишь у Цереры она составляет 167 К), эти планетки не могут удержать легкие газы, а тяжелые газы там замерзают.

Впрочем, некоторые планеты-карлики обладают удивительной способностью замораживать и размораживать свою атмосферу. Это явление уже наблюдалось у Плутона. Вообще-то Солнце там греет слабо. Если бы мы оказались на поверхности Плутона, то не смогли бы различить диск Солнца: при наблюдении невооруженным глазом Солнце казалось бы нам ослепительной звездой, тускло освещающей поверхность планеты. Впрочем, этого освещения было бы достаточно для телевизионной съемки и даже для чтения. Но температура на Плутоне низкая, 33:55 К. Двигаясь по эллиптической орбите, он заметно меняет свое расстояние от Солнца – от 30 до 49 а. е. При этом почти втрое меняется поток солнечного тепла, падающий на его поверхность. Эффект усиливается еще и оттого, что таяние снега, как правило, делает поверхность более темной и поглощающей больше тепла. В результате в течение долгого плутонианского года меняется и температура. Большую часть года температура низкая и летучие вещества лежат на поверхности в виде снега, но в районе перигелия температура возрастает, и они оттаивают. Так было сравнительно недавно: в 1989 г. Плутон проходил перигелий и с 1979 по 1999 гг. был даже ближе к Солнцу, чем Нептун. В этот период значительная часть замерзших газов (в основном метана и азота) перешла с поверхности в атмосферу. В 1988 г. наблюдалось покрытие Плутоном звезды: ее яркость убывала постепенно, в течение нескольких секунд, что несомненно указывало на довольно плотную атмосферу. Ее давление у поверхности оценивается в 0,3 Па, что, конечно, в сотни тысяч раз ниже, чем на Земле.

Рис. 7.8. Орбита Седны, кандидата в планеты-карлики.

Еще заметнее сезонные колебания температуры должны проявляться у Седны, которая подходит к Солнцу на 76 а. е., а затем удаляется на 961 а. е. Это повторяется с периодом около 12 тыс. лет, причем в течение двух столетий пролета через перигелий температура поверхности может подниматься выше 35,6 К, когда в вакууме азот из твердого состояния переходит в газообразное. Такому росту температуры способствует весьма темная красноватая поверхность Седны; своим цветом она напоминает марсианскую, хотя состав имеет существенно иной. Спектр Седны указывает на присутствие водяного, метанового и азотного льда, а значит, в середине лета у Седны может возникать азотная атмосфера. Кроме того, в спектре есть признаки высокой концентрации аморфного углерода и органических веществ – метанола и др.

Узнав о планетах с временными атмосферами, мы, естественно, должны задуматься: а чем же в таком случае отличаются кометы от астероидов? До недавних пор астрономы могли четко указать отличие астероидов от комет. Кометы движутся по вытянутым, произвольно ориентированным орбитам, а с приближением к Солнцу окутываются обширной атмосферой – комой – и отращивают газово-пылевые хвосты, за что и получили прозвище летающих айсбергов. В отличие от них астероиды движутся по орбитам, значительно более близким к окружности и лежащим вблизи основной плоскости Солнечной системы, и состоят из тугоплавких веществ, не испаряющихся даже при сближении с Солнцем. Однако эта простая классификация больше не годится, поскольку обнаружены объекты со свойствами, характерными как для астероидов, так и для комет.