Пояс Койпера

Ще в 1951 році видатний американський астроном Джерард Койпер (1905-1973) передбачив існування на периферії Сонячної системи скупчення астероїдів, що має форму сплющенного диска і займає простір за зовнішніми планетами. Він також вважав це скупчення джерелом коротко-періодичних комет (з періодом обігу навколо Сонця менше 200 років). Зараз на далеких околицях нашої планетної системи вже відкриті перші невеликі планетоподобні тіла. Вони утворюють грандіозне кільце, яке по праву називається поясом Койпера.

Пояс Койпера – пояс малих планет, що знаходиться за орбітою Нептуна. Названий на честь Джерарда Койпера, що передбачив існування пояса в 1951. У 1992 був відкритий перший об’єкт пояса Койпера – 1 992 QB1. Об’єкти пояса Койпера, або койпероіди (у англійського терміна Kuiper Belt Object – KBO поки що немає загальновизнаного російського аналога) діляться на три групи. Внутрішні області пояса становлять небесні тіла, що знаходяться під гравітаційним впливом Нептуна, і орбітальні періоди яких знаходяться в резонансі з періодом планети. Тому, хоча багато хто з них перетинають орбіту Нептуна, зіткнень не відбувається. Такі об’єкти отримали назву «резонансних»; перші з них були відкриті в 1999 – TC36 і DE9. Найпоширеніше резонансне співвідношення – 3: 2, як у Плутона. Тому резонансні койпероіди з таким співвідношенням часто називають «плутіно» ( «плутончікі»). Найбільший з відомих резонансних об’єктів Пояси Койпера – плутіно Оркус діаметром 1526 км.

На більшій відстані, в областях, де Нептун вже не може надавати сильного впливу, знаходяться класичні об’єкти поясу Койпера (англ. Термін cubewano, від QB1). Вони рухаються по орбітах, близьким до кругового, і знаходяться, в основному, в межах від 40 до 50 а. е. Найбільший з відомих класичних койпероідов – Кваоар, його діаметр дорівнює 1260 км.

Зовнішню кордон Коясу Койпера становлять розсіяні об’єкти (англ. Scattered Disk Object – SDO), найбільший з яких, 2001. UR163, має розмір 636 км. Орбіти деяких з розсіяних об’єктів дуже витягнуті, і в афелії вони можуть віддалятися від Сонця на 10 млрд. Км і далі. Власних імен жодному з розсіяних об’єктів поки не присвоєно.

Об’єкт 2003 UB313 за параметрами орбіти – типовий розсіяний об’єкт, однак Міжнародний Астрономічний Союз залишає його поза класифікації через великого діаметру. Він становить 3400 км, що в півтора рази більше діаметра Плутона, і в два – Оркус або Кваоара.

Деякі дослідники відносять відкриту в 2003 Седну (1700 км) до поясу Койпера, проте навіть найближча до Сонця точка її орбіти знаходиться далеко за межами пояса.

Зареєстровано близько 400 об’єктів пояса Койпера (вересень 2005), всього ж їх, відповідно до теоретичних оцінок, кілька мільярдів.

В кінці серпня 1992 року в обсерваторії Мауна-Кеа, що знаходиться на Гавайських островах, була відкрита перша мала планета (її діаметр близько 200 км), що рухається за орбітою Плутона. З тих пір в цій окраїнної частини Сонячної системи виявлені вже сотні подібних космічних тіл. Всі вони доступні лише найсильнішим телескопів. Вчені зробили спробу оцінити можливий загальна кількість таких об’єктів в поясі Койпера. Результати підрахунків показали, що за орбітою Нептуна має рухатися приблизно 35 тис. Тіл з діаметром від 100 км і більше. Найбільший з відомих об’єктів поясу Койпера досягає 500 км в діаметрі. Його орбіта пролягає на відстані 120-180 а. е. від Сонця. Останнє означає, що спостережувану кордон нашої планетної системи слід віддалити від центрального світила приблизно в 4 рази. Раніше цією межею вважалася орбіта Плутона. Цілком ймовірно, пояс Койпера своєю “населенностью” значно перевершує давно відомий нам пояс астероїдів між орбітами Марса і Юпітера. І все ж згідно з попередніми розрахунками сумарна маса всіх космічних тіл, що становлять пояс Койпера, не перевищує 1/300 маси Землі.

Вивченням пояса Койпера за допомогою Космічного телескопа ім. Хаббла займалися американські вчені. Вони використовували знаходиться на борту космічної станції широкоугольную планетарну камеру. Після комп’ютерної обробки знімків вдалося виявити 244 об’єкта, які рухаються по орбітах, подібним з орбітою Плутона і орбітами інших тіл пояса Койпера. При цьому вдалося відкрити перші об’єкти “кометних розмірів” – з поперечником 5-10 км, тобто порівнянних з ядром комети Галлея. У поясі Койпера міститься близько мільярда кометообразних тел. Їх хімічний склад подібний зі складом кометних ядер, що, як ми побачимо далі, добре узгоджується з теорією походження Сонячної системи.

Околиці нашої планетної системи виявилися значно більш “населеними”, ніж вважалося ще недавно.

3. Карликові планети. Пояс Койпера, хмара Оорта. Малі тіла Сонячної системи — астероїди, комети, метеороїди

Карликові планети. Так називають досить великі тіла Сонячної системи, настільки великі, що власна гравітація надала їм рівноважної форми, наближеної до кулястої. Але на відміну від решти планет, маса карликових значно менша, тому їм не вдалося «розчистити» околиці своєї орбіти від інших подібних тіл.

Уперше цей новий клас тіл Сонячної системи визначили у серпні 2006 р. на Асамблеї Міжнародного Астрономічного Союзу (МАС) у Празі. Також тоді було змінено статус Плутона, який до цього вважали дев’ятою планетою Сонячної системи: відтоді він став першою планетою-карликом.

У 1930 р. в Ловеллській обсерваторії (США) Клайд Томбо відкрив невідому планету, що обертається навколо осі в зворотному напрямку. Вона отримала назву Плутон (рис. 3.1). У 1978 р. астрономи звернули увагу на те, що на світлині Плутона видно невеликий виступ на його дискові. Продовжуючи спостереження, учені виявили у Плутона супутник, який отримав назву Харон. Деякі астрономи вважають Харон супутником, інші називають Плутон і Харон подвійною планетою (адже у них періоди обертання навколо осі й відносно один одного є однакові). Пізніше у Плутона були виявлені ще 4 супутники.

Рис. 3.1. Плутон

Аналізуючи орбіти комет, у 1951 р. астроном Дж. Койпер передбачив існування за Нептуном поясу астероїдів, який назвали поясом Койпера. Астрономічні спостереження за допомогою сучасних телескопів підтвердили цю гіпотезу у 1990 р., коли за Плутоном почали відкривати нові об’єкти. З наукової точки зору стало очевидним, що Плутон більше схожий на них, ніж на решту планет Сонячної системи, причому один із виявлених об’єктів (Ерида) є навіть більшим за Плутон.

Нині до переліку найбільших і найвідоміших карликових планет відносять Ериду, Цереру, Плутон, Гаумеа, Макемаке (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Найбільші карликові планети у порівнянні із Землею

Дізнайтеся більше, чому Плутон було вилучено з переліку класичних планет Сонячної системи.

Хмара Оорта. Гіпотетична хмара Оорта — сферична хмара крижаних об’єктів, яка є джерелом довгоперіодичних комет. Передбачувана відстань до зовнішніх меж хмари Оорта від Сонця становить від 50 000 а. о. (≈ 1 св. рік) до 100 000 а. о. (1,87 св. років). Вважається, що об’єкти, які складають хмару, сформувалися біля Сонця і були розсіяні далеко в космос гравітаційними ефектами планет-гігантів на ранньому етапі розвитку Сонячної системи.

Малі тіла Сонячної системи. По різним орбітам навколо Сонця, окрім карликових планет, обертається ще чимало дрібних об’єктів, що не є супутниками. Вони названі малими тілами Сонячної системи. До цього типу космічних тіл належать об’єкти поясу Койпера, астероїди (малі планети), комети, метеороїди (або меторитні тіла), космічний пил і газ.

Астероїди. Перший астероїд (від грец. asteroid — зореподібний) відкрив італійський астроном Джузеппе Піацці. У січні 1801 р. він побачив слабку зорю, яка наступного вечора трохи перемістилася. Новій планеті дали назву Церера (рис. 3.3). За нею почали уважно спостерігати — вона виявилася невеликою, навіть меншою, ніж Місяць. Яке ж було здивування астрономів, коли за кілька років недалеко від Церери виявили ще одну малу планету — її назвали Палладою. Ці обидва космічні об’єкти, що оберталися навколо Сонця на відстані 2,8 а. о., назвали малими планетами, або астероїдами. Потім були відкриті Юнона і Веста. З-поміж усіх відкритих на той час малих планет діаметр Церери виявився найбільшим (близько 960 км), тож згодом її віднесли до класу планет-карликів.

Рис. 3.3. Церера

На вересень 2017 р. було зареєстровано близько 1 млн астероїдів (рис. 3.4). Найменші з них мають діаметр лише кілька десятків метрів. У телескопи диски цих тіл розрізнити неможливо — вони мають вигляд світлих точок. Сумарна маса всіх астероїдів не перевищує 0,1 маси Місяця.

Рис. 3.4. Астероїд-433 «Ерос» має вигляд велетенського сідла завдовжки 33 км. Космічний апарат NEAR, здійснивши у 2001 р. посадку на поверхню астероїда в улоговині поблизу центра, виявив, що його сіра поверхня вкрита шаром реголіту і схожа на поверхню Місяця

Виявленим астероїдам надають порядковий номер і назву, яку пропонує автор відкриття (так, за номером 1790 зареєстрований астероїд Україна). Часто нові космічні тіла називають на честь країн, міст та видатних особистостей. Українські астрономи також уславили нашу країну та видатних співвітчизників: навколо Сонця обертаються астероїди Київ, Полтава, Кобзар, Каменяр, Сковорода, Довженко, Нарбут та ін.

Для допитливих

Орбіти двох відомих численних груп астероїдів — Греки й Троянці — унікальні тим, що розташовані у вершинах рівнобічних трикутників, сторони яких дорівнюють відстані від Юпітера до Сонця. Період обертання цих астероїдів навколо Сонця збігається з періодом обертання Юпітера.

Комети отримали свою назву від грец. cometos — хвостата чи волохата (зоря). Це відносно невеликі небесні тіла, що мають туманний вигляд і обертаються навколо Сонця по подовжених еліптичних орбітах. Саме тому їх можна побачити лише у стислі періоди зближення із Сонцем.

Рис. 3.5. Комета Чурюмова-Герасименко

Комети є залишками космічної речовини, з якої утворилися планети. За традицією кометі дають назву на честь тих астрономів, які перші побачили її на небі (рис. 3.5, 3.6, 3.7). За оцінками вчених, на далеких «околицях» Сонячної системи в хмарі Оорта сконцентровано близько 10 12 -10 13 комет, які обертаються навколо Сонця на відстанях 3-160 тис. а. о.

Рис. 3.6 Комета Галлея

Найзнаменитішою кометою є комета Галлея. Директор Гринвіцької обсерваторії Е. Галлей уперше визначив орбіту комети, яку було видно у 1682 р. Для цього він вивчив стародавні літописи і звернув увагу на те, що одна з комет з’являлася на небі з постійним періодом 76 років. За допомогою третього закону Кеплера Галлей визначив велику піввісь орбіти α = 17,94 а. о. та передбачив її появу у 1758 р. Останній раз комету Галлея спостерігали у 1986 р., а наступний її приліт до Землі очікується у 2062 р.

Рис. 3.7. Комета Гейла-Боппа

Головна складова комети — її ядро (рис. 3.8). Відповідно до гіпотези відомого американського дослідника комет Ф. Л. Уіппла, кометне ядро являє собою крижану брилу, що складається із суміші замерзлої води й заморожених газів із вкрапленням тугоплавких кам’янистих та металевих частинок. У міру наближення комети до Сонця лід ядра комети починає випаровуватися. Навколо ядра утворюється протяжна газова оболонка, що світиться, — кома. Разом із ядром вони утворюють голову комети. Подальше зближення комети із Сонцем приводить до того, що її голова набуває овальної форми, потім подовжується, а з неї утворюється хвіст, що складається з пилу і газу.

Рис. 3.8. Ядро комети Галлея на відстані кількох тисяч кілометрів

Довжина хвоста комети іноді простягається на мільйони або сотні мільйонів кілометрів, причому напрямок хвоста в результаті дії сонячного вітру змінюється таким чином, що він весь час відхиляється у протилежний від Сонця бік. Здається, що хвіст до Сонця не притягується, а навпаки, відштовхується. Зазвичай хвіст комети притягується до Сонця, але для частинок із діаметром менш ніж 10 -5 м сила відштовхування стає більшою за силу притягання.

Здійснивши кілька сотень обертів навколо Сонця, ядро комети зрештою втрачає свою масу і руйнується, але її рештки продовжують рух по орбіті та перетворюються на метеорні потоки. Коли Земля перетинає орбіту такого метеорного потоку, спостерігається «зоряний дощ». Гинуть комети також у випадку потрапляння на Сонце або зіткнення із планетою (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Падіння уламків комети Шумейкерів-Леві на Юпітер

Метеороїди. Згідно з визначенням Міжнародної метеорної організації метеороїди за розміром значно менші, ніж астероїди, але набагато більші за атом. Їхня назва у перекладі з грецької означає: «той, що перебуває у повітрі». Метеороїди утворюються внаслідок розпаду комет або подрібнення малих планет після зіткнення.

Метеороїд — невелике небесне тіло, що рухається в міжпланетному просторі

Метеор — видимий слід від метеороїда, що увійшов в атмосферу Землі

Метеорит — метеороїд, що впав на поверхню Землі

Потрапивши на космічній швидкості в земну атмосферу, ці дрібні тверді частинки спалахують, лишаючи яскравий слід. Космічний пил ніколи не долітає до поверхні Землі, адже він згоряє і випаровується в атмосфері на висоті від 120 до 60-80 км. Це світлове явище, викликане іонізованим повітрям на шляху польоту метеорної частинки, називають метеором, або падаючою зорею. Сама частинка в цьому випадку називається метеорним тілом. Маси таких тіл вимірюються десятими долями грама, іноді — кількома грамами. Весь політ метеорного тіла може тривати від десятих долей секунди до кількох секунд.

Численні метеори, які спрямовуються до Землі в певну пору року, утворюють метеорні потоки, або «зоряні дощі». Найвідомішим із них є потік «Персеїди», який в Україні можна спостерігати у серпні.

Метеорити можуть досягти поверхні Землі, оскільки мають більшу масу (рис. 3.10). Коли метеоритне тіло з великою швидкістю летить в атмосфері, то через опір повітря воно нагрівається до температури вище 10 000 °С і починає світитись, як розжарена куля, яку називають болідом (від грец. bolid — спис). Під час польоту боліда з надзвуковою швидкістю в атмосфері виникає ударна хвиля, яка створює потужні звукові коливання, тому людина чує сильний гуркіт.

Рис. 3.10. Метеорит, знайдений в Антарктиці

Болід — світлове явище, яке супроводжує політ метеоритного тіла в атмосфері

Сонячний вітер складається з елементарних частинок та окремих ядер легких хімічних елементів, які летять від Сонця

Метеоритне тіло — це фрагмент астероїда, який, обертаючись навколо Сонця, зіткнувся з нашою планетою. Тобто метеорити мають астероїдне походження. Швидкість, з якою метеорит влітає в земну атмосферу, залежить від напрямку його руху відносно вектора швидкості Землі. Найбільшу швидкість входження в атмосферу (50-70 км/с) мають ті метеоритні тіла, які летять назустріч руху Землі, коли швидкості боліда та Землі додаються. Швидкість метеоритного тіла під час входження в атмосферу Землі не може бути меншою за 11,2 км/с, адже навіть коли астероїдне тіло «наздоганяє» нашу планету, то через земне тяжіння його швидкість починає зростати. Нині за рахунок метеоритної речовини маса Землі збільшується на 500 000 т на рік.

Рис. 3.11. Аризонський кратер (США) утворився 10 000 років тому. Його діаметр — 1,2 км, глибина 200 м. Уламки метеорита знаходять на відстані 30 км від кратера

На Землі астрономи та геологи виявили більше сотні метеоритних кратерів різного діаметра (рис. 3.11), які називають астроблемами (від грец. astra blema — зоряні рани), але більшість кратерів не збереглася, адже протягом віків атмосферні процеси знищували сліди космічних катаклізмів. Велику кільцеву структуру метеоритного походження діаметром 7 км виявили в Україні в Іллінецькому районі (рис. 3.12) Вінницької області. Геологічні дослідження показують, що початкова маса метеорита перевищувала 10 11 кг.

Рис. 3. 12. Іллінецький метеоритний кратер

Дізнайтеся, як величезні метеорити змінювали життя на Землі.

Контрольні запитання

• 1. Розтлумачте поняття «карликова планета». Які карликові планети ви знаєте?
• 2. Розкажіть, які космічні об’єкти називають малими тілами.
• 3. Опишіть склад комети та особливості її руху навколо Сонця.
• 4. Яким чином комети пов’язані з метеорами й астероїдами?
• 5. Чим відрізняється метеор від метеорита?
• 6. Чи існує небезпека зіткнення Землі з астероїдом? Чому?
• 7. Яка природа походження «зоряних дощів»?
• 8. Знайдіть в мережі Інтернет інформацію про комету Шумейкерів-Леві та падіння її фрагментів на Юпітер. Підготуйте стисле повідомлення.

Тема для дискусії

Яка ваша думка щодо практичного використання астероїдів як джерела корисних копалин?

Відкриття та характеристики крижаного віддаленого поясу Койпера

«Третя зона» Сонячної системи зберігає скарбницю свого давнього минулого

Плутон є найвідомішим членом поясу Койпера, регіону за орбітою Нептуна. надано NASA/SWRI/APL. NASA/Нові горизонти/JHU-APL

Там є величезна, недосліджена область Сонячної системи, яка лежить так далеко від Сонця, що космічному кораблю знадобилося приблизно дев’ять років, щоб дістатися туди. Він називається поясом Койпера і охоплює простір, що простягається за орбіту Нептуна на відстань 50 астрономічних одиниць від Сонця. (Астрономічною одиницею є відстань між Землею та Сонцем, або 150 мільйонів кілометрів).

Деякі планетологи називають цей населений регіон «третьою зоною» Сонячної системи. Чим більше вони дізнаються про пояс Койпера, тим більше здається, що це власний окремий регіон зі специфічними характеристиками, які вчені все ще досліджують. Дві інші зони — це царство скелястих планет (Меркурій, Венера, Земля та Марс) і зовнішні, крижані газові гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран, Нептун).

Як утворився пояс Койпера

Подібна до нашої художня концепція народження зірки. Після народження Сонця крижані матеріали, з яких складається пояс Койпера, мігрували у віддалені райони поясу Койпера або були викинуті туди після взаємодії з планетами, коли вони сформувалися та мігрували до своїх поточних позицій. NASA/JPL-Caltech/R. боляче

У міру формування планет їх орбіти з часом змінювалися. Великі газові та крижані гіганти Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна сформувалися набагато ближче до Сонця, а потім мігрували до своїх теперішніх місць. Коли вони це робили, їхні гравітаційні ефекти «виштовхували» менші об’єкти за межі Сонячної системи. Ці об’єкти населяли Пояс Койпера та Хмару Оорта , помістивши велику кількість первісного матеріалу Сонячної системи в місце, де його могли зберегти холодні температури.

Коли планетологи кажуть, що комети (наприклад) — це скрині зі скарбами минулого, вони абсолютно праві. Кожне кометне ядро ​​і, можливо, багато об’єктів поясу Койпера, такі як Плутон і Еріда, містять матеріал, який буквально такий же старий, як Сонячна система, і ніколи не зазнавав змін.

Відкриття поясу Койпера

Джерард Койпер був одним із кількох учених, які висунули теорію про існування поясу Койпера. Його назвали на його честь і часто також називають поясом Койпера-Еджворта на честь астронома Кена Еджворта. НАСА

Пояс Койпера названий на честь планетолога Джерарда Койпера, який насправді його не відкрив і не передбачив. Натомість він твердо припустив, що комети та малі планети могли сформуватися в холодному регіоні, який, як відомо, існує за межами Нептуна. Пояс також часто називають поясом Еджворта-Койпера на честь вченого-планетолога Кеннета Еджворта. Він також припустив, що за межами орбіти Нептуна можуть існувати об’єкти, які ніколи не об’єднувалися в планети. До них відносяться малі світи, а також комети. Зі створенням кращих телескопів планетологи змогли виявити більше карликових планет та інших об’єктів у поясі Койпера, тому його відкриття та дослідження є постійним проектом.

Вивчення поясу Койпера із Землі

Об’єкт пояса Койпера 2000 FV53 дуже малий і віддалений. Проте космічний телескоп Хаббл зміг помітити його з орбіти Землі та використовувати як орієнтир під час пошуку інших KBO. NASA і STScI

Об’єкти, які складають пояс Койпера, настільки віддалені, що їх неможливо побачити неозброєним оком. Яскравіші та великі, такі як Плутон і його супутник Харон, можна виявити за допомогою як наземних, так і космічних телескопів. Однак навіть їхні погляди не дуже детальні. Для детального вивчення потрібен космічний корабель, щоб зробити зображення великим планом і записати дані.

Космічний корабель «Нові горизонти».

Ідея художника про те, як виглядав New Horizons, коли він проходив повз Плутон у 2015 році. NASA

Космічний апарат New Horizons , який пролетів повз Плутон у 2015 році, став першим космічним апаратом, який активно вивчав пояс Койпера. Його цілі також включають Ultima Thule, який лежить набагато далі від Плутона. Ця місія дала планетологам змогу ще раз поглянути на деякі з найрідкісніших об’єктів Сонячної системи. Після цього космічний корабель продовжить рух по траєкторії, яка виведе його з Сонячної системи пізніше в столітті.

Царство карликових планет

Макемаке та його супутник (угорі праворуч) за допомогою космічного телескопа Хаббла. Концепція цього художника показує, якою може бути поверхня. NASA, ESA, А. Паркер і М. Буї (Південно-західний науково-дослідний інститут), В. Гранді (Обсерваторія Лоуелл) і К. Нолл (NASA GSFC)

Крім Плутона та Еріди, дві інші карликові планети обертаються навколо Сонця з віддалених ділянок пояса Койпера: Кваоар, Макемаке ( яка має власний супутник ) і Хаумеа .

Кваоар був відкритий у 2002 році астрономами з Паломарської обсерваторії в Каліфорнії. Цей далекий світ приблизно вдвічі менший за Плутон і розташований на відстані приблизно 43 астрономічних одиниць від Сонця. (AU — це відстань між Землею та Сонцем. Кваоар спостерігали за допомогою космічного телескопа Хаббла. Схоже, що він має супутник, який називається Вейвот. Обом потрібно 284,5 років, щоб зробити одну подорож навколо Сонця.

KBOs і TNOs

Ця схема поясу Койпера показує відносне розташування чотирьох карликових планет цього регіону. Лінія від внутрішньої Сонячної системи – це траєкторія місії New Horizons. NASA/APL/SWRI

Об’єкти в дископодібному поясі Койпера відомі як «об’єкти пояса Койпера» або KBO. Деякі з них також називаються «транснептуновими об’єктами» або TNO. Планета Плутон є першим «справжнім» KBO, її іноді називають «Королем поясу Койпера». Вважається, що пояс Койпера містить сотні тисяч крижаних об’єктів, розмір яких перевищує сто кілометрів.

Комети і пояс Койпера

Цей регіон також є місцем походження багатьох комет, які періодично залишають пояс Койпера на орбітах навколо Сонця. Цих кометних тіл може бути майже трильйон. Ті, які вилітають на орбіту, називаються короткоперіодичними кометами, що означає, що їхні орбіти тривають менше 200 років. Комети з довшими періодами, здається, походять із Хмари Оорта, яка є сферичною сукупністю об’єктів, яка простягається приблизно на чверть шляху до найближчої зірки.