В разные времена учёные предполагали, что в Солнечной системе существуют или когда-то существовали небесные тела, пока — или уже — недоступные для наблюдения.
Некоторые из этих гипотез затем подтвердились, другие были отвергнуты, а какие-то и по сей день будоражат научный мир и дают пищу для размышлений. Например, в XIX веке астрономы считали, что между Марсом и Юпитером когда-то находился загадочный Фаэтон. А недавно общественность начала активно обсуждать новость о возможном присутствии за Нептуном планеты Х. Возможно ли, что у нашего Солнца есть ещё одна планета, которую мы однажды обнаружим? Как часто астрономы находят новые космические тела? Как специалисты наблюдают за рождением новых планет? Рассказывает Дмитрий Вибе, доктор физико-математических наук, астроном и популяризатор науки.
Чем занималась «небесная полиция»
Мысль о существовании планеты Фаэтон возникла у астрономов ещё до открытия Нептуна. Откуда вообще появилась идея о недостающей планете? Дело в том, что астрономов давно беспокоил «странный» промежуток между Марсом и Юпитером. В 1772 году физик Иоганн Тициус вывел закономерность, которую мы сейчас знаем как правило Тициуса-Боде. Эта закономерность не только хорошо описывала расположение орбит планет Солнечной системы, известных к тому времени, но и предсказывала наличие планеты между орбитами Марса и Юпитера.
Астрономы так озаботились отсутствующей планетой, что на рубеже XVIII—XIX веков даже организовали специальную группу из 24 специалистов по охоте за ней, которую решили назвать «небесной полицией». Предполагалась большая наблюдательная кампания по поиску неизвестной планеты, но ирония истории проявилась в том, что искомое тело между Марсом и Юпитером открыл итальянец Джузеппе Пьяцци, который не входил в отряд «небесной полиции», точнее просто не успел получить приглашение.
Поначалу казалось, что загадка пустого промежутка между Марсом и Юпитером решена: Пьяцци открыл ту самую «недостающую» планету, получившую имя Цереры. Правда, планета оказалась мелковата по сравнению даже с небольшим Меркурием, но это само по себе ещё не составляло проблемы — в последующие годы астрономы открыли между Марсом и Юпитером ещё несколько небесных тел. И стало понятно, что там, где, казалось, недостаёт одной большой планеты, этих планет на самом деле избыток, но при этом они все существенно меньше, чем планеты, известные к тому времени.
И тогда астроном Ольберс выступил с гипотезой, что действительно, раньше между Марсом и Юпитером находилась большая планета, но потом с ней случилась какая-то неприятность. И теперь вместо неё мы видим огромное количество осколков — астероидов. Какое-то время эта гипотеза была популярной, но вскоре другие астрономы выступили с целым рядом возражений. Одно из этих возражений связано с тем, что на самом деле, если собрать все астероиды «в кучу», мы не наберём вещества даже на Луну. То есть даже если предположить, что астероиды — это осколки, и слепить из них «обратно» единое небесное тело, то ничего выдающегося мы не получим. К тому же треть массы всех астероидов и так сосредоточена в одном теле — в Церере. Но это ещё не всё.
Межпланетные зонды для бедных
Одна из самых амбициозных задач для космических аппаратов — доставка на Землю вещества иных небесных тел. Она очень сложна и очень дорого стоит. Но при этом внеземное вещество постоянно, совершенно бесплатно и в больших количествах падает на Землю в виде метеоритов, источником которых является как раз пояс астероидов. Благодаря такой «бесплатной доставке» метеориты называют иногда межпланетными зондами для бедных. Одним из доводов в пользу существования Фаэтона называют разделение метеоритов на железные и каменные — в предположении, что первые являются остатками ядра Фаэтона, а вторые — остатками его мантии и коры. Дифференциация, то есть разделение на железное ядро и силикатную мантию, долгое время казалась атрибутом большой планеты. Однако теперь мы знаем, что молодая Солнечная система была по какой-то причине богата радиоактивным изотопом алюминия. Его распад эффективно нагревал твёрдое вещество, и потому через стадию расплава, в ходе которой тяжёлое железо оседает в ядро, окружённое более легкой силикатной мантией, прошли и относительно небольшие тела — размером порядка 500 км. Их осколки, порождённые последующими столкновениями, мы и получаем в виде железных метеоритов и некоторых видов каменных метеоритов.
Но и это ещё не всё. Каменные метеориты, возникшие в результате разрушения крупных астероидов, успевших в ходе эволюции обзавестись ядром и мантией, похожи по своим свойствам на земные вулканические породы. Но таких метеоритов не очень много. Подавляющее большинство каменных метеоритов никогда не было частью мантий даже таких микропланеток, не говоря уже о том, чтобы быть осколками большой планеты. Так что сейчас гипотеза об исчезнувшей планете между Марсом и Юпитером не вызывает большого энтузиазма.
Кто такая Церера
Кстати, Цереру мы сегодня официально считаем не астероидом, а карликовой планетой. Но вообще астрономическая терминология во многих случаях имеет очень извилистую историю. Существует много примеров, когда за каким-то объектом закрепляется название, которое потом оказывается не совсем удачным. Но астрономы не спешат избавляться от этого названия, и оно сохраняется долгое время. К тому же нет какой-то формальной процедуры, которая была бы всеми признана и которая закрепляла бы за телами определённые обозначения. Поэтому, по большому счёту, кто как хочет, тот так разные небесные тела и называет.
Лишь один раз (в 2006 году) Международный астрономический союз (МАС) принял формальное определение для вида небесных тел — планет. Согласно этому определению, Церера сейчас относится к карликовым планетам. Но, если я не захочу Цереру так называть, ко мне (как к члену МАС) никто не применит никаких санкций. Я волен запросто именовать Цереру астероидом.
У Плутона есть кольца?
Когда мы говорим «кольца планет», нам представляется что-то наподобие колец Сатурна. Но, говоря строго, яркие и правильные структуры, окружающие Сатурн, — уникальное явление в Солнечной системе. Другие планеты-гиганты также окружены кольцевыми образованиями, но далеко не такими заметными, не такими правильными и даже, возможно, не всегда замкнутыми. В отношении природы колец Сатурна у учёных пока нет единого мнения. В рамках одних теорий они являются осколками некогда существовавшего спутника Сатурна (Фаэтон умер, но дело его живёт). В рамках других теорий их считают остатками вещества, из которого сформировалась система Сатурна. Соответственно, и оценки возраста разнятся от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов лет. С кольцами Юпитера, Урана и Нептуна ситуация несколько проще — характерное время существования частиц в них измеряется тысячами лет, и потому запасы вещества в кольцах должны постоянно пополняться. Предполагается, что его источником является эрозия поверхностей малых спутников этих планет.
Когда малые спутники обнаружились у Плутона, логичным оказалось предположить, что кольца могут быть и у этого представителя карликовых планет (по упомянутому выше определению МАС). Небольшие спутники Плутона испытывают некоторое разрушение, как и все тела в Солнечной системе. Из вещества, которое по тем или иным причинам вырывается с поверхностей Никты, Гидры, Кербера и Стикса, вдоль орбит спутников действительно могут формироваться пылевые кольца, торы и даже слои. Но их плотность не может быть большой, и все попытки их обнаружить окончились ничем. Кольца Плутона остаются пока чисто гипотетическим объектом.
Как сформировалась Луна
Предположение о гипотетической планете Тейе возникло при попытках объяснить происхождение Луны. Луна — тело довольно необычное, по крайней мере, в пределах Солнечной системы. И её происхождение до сих пор остаётся неясным, на эту тему постоянно ведутся активные дискуссии. Сочетание различных свойств Луны пока не очень понятно астрономам. Сходство химических свойств Земли и Луны говорит о том, что у них было какое-то общее прошлое. Одна из популярных сегодня гипотез — импактная — связывает формирование Луны с катаклизмом, потрясшим Землю через несколько десятков миллионов лет после её формирования. Согласно этой гипотезе, Луна сформировалась из вещества Земли, выбитого из нашей планеты при столкновении с гипотетической протопланетой — Тейей. Но у химического состава Луны есть и особенности, указывающие, что её образование было достаточно спокойным и не было сопряжено с катастрофами и катаклизмами. Поэтому импактную гипотезу, хотя она и разрабатывается многими научными группами, нельзя назвать единственной. Существуют и другие объяснения происхождения Луны, в том числе не связанные со столкновениями.
«Там никакой планеты нет»
Разговоры о Планете Х ведутся уже больше ста лет. В конце XIX века Планетой Икс называли гипотетическую транснептуновую планету, которая должна была объяснить неувязки в движении Урана, оставшиеся необъяснёнными (как тогда казалось) после открытия Нептуна. Открытие Плутона, с одной стороны, увеличило число планет до девяти, с другой стороны (из-за малой массы Плутона), не позволило решить проблему с движением Урана. Поэтому рассуждения о Планете X продолжились, но она стала уже не только Икс, но ещё и десятой.
Потом оказалось, что неувязок в движении Урана в действительности нет, а Плутон является лишь одним из представителей обширного семейства транснептуновых объектов. Но означает ли это, что тема транснептуновой планеты закрыта?
Давайте ещё раз уточним определение. Итак, согласно резолюции МАС, принятой в 2006 году, от планеты не требуется многого. Планета должна вращаться вокруг Солнца, иметь сферическую форму и очистить область своей орбиты от прочих тел. Последний пункт вызывает наибольшую критику, поскольку не совсем понятно, что он означает.
Мы вполне можем предполагать, что за орбитой Нептуна и правда присутствуют какие-то неизвестные нам тела, обращающиеся вокруг Солнца. По той же Церере мы знаем, что многие из них могут иметь сферическую форму. Диаметр Цереры не превышает 1000 км (в 2.5 раза меньше Плутона), и это уже вполне себе шар. Вот с третьим пунктом будут проблемы: наличие большого количества тел в области орбиты Плутона и привело к лишению его планетного статуса. Конечно, в транснептуновой области будут и дальше обнаруживаться «плутоноподобные» тела. Но называть их планетами можно будет лишь с оговорками.
Другое дело, если мы хотим обнаружить за Нептуном какое-то «весомое» тело, подобное Земле, а то и Урану или даже Юпитеру. В этом случае у нас появляются некие надежды на непрямое обнаружение планеты, потому что массивные тела выдают своё присутствие ещё и сильной гравитацией.
В 2016 году разговоры о Планете Х (снова только Икс) активизировались в результате публикации работы Константина Батыгина и Майкла Брауна. Они заявили, что увидели признаки некоего гравитирующего тела в ориентации орбит астероидов в транснептуновой области. Батыгин и Браун рассмотрели орбиты далёких транснептуновых объектов и обнаружили, что те неслучайным образом ориентированы в пространстве: у них оказалось некое предпочтительное направление вытянутости. Когда мы видим какую-то неслучайную картину, какую-то выстроенность, это может предполагать наличие некого дирижёра, который заставляет астероиды выстраиваться не совсем хаотично.
Существуют и другие объяснения этой выстроенности, которые тоже завязаны на гравитацию. Согласно этим объяснениям, транснептуновыми телами «руководит» не обязательно планета. Речь может идти о совокупном тяготении большого количества существенно меньших тел — тех же астероидов. Всегда остаётся возможность, что, когда мы поднакопим статистики, ориентированность орбит астероидов вообще окажется кажущейся. Говорить о подлинном открытии планеты Х можно будет только после того, как она проявится на снимках.
В целом, обнаружить новую планету можно только прямыми наблюдениями, а эти наблюдения сложны. Тут всё как обычно: доказать наличие чего-то просто. Доказать отсутствие чего-то почти невозможно. Чтобы сказать: «Там нет никакой планеты», нужно обладать большой смелостью.
«Мы всё качественнее смотрим на небо»
В Солнечной системе астрономы постоянно находят что-то новое. Резервуар открытий будет исчерпан очень нескоро, потому что на небе существуют направления, в которых вести поиск очень сложно. И поиск в этих направлениях продвигается медленно. Кроме того, с каждым годом совершенствуется наблюдательное оборудование. И чем более совершенным оно становится, тем более мелкие объекты мы можем находить. Сейчас астрономы могут утверждать, что обнаружили все известные объекты до определённого размера в некоторой области пространства, но при этом всегда можно надеяться на то, что мы откроем кучу объектов меньшего размера или объектов такого же размера, но на больших расстояниях, откуда они выглядят более тусклыми.
Другое дело — насколько открытие ранее неизвестных объектов связано с открытием чего-то нового? Например, открытием астероидов сейчас занимается автоматика и открывается их примерно по нескольку штук в час. Но это не какие-то революционные новые тела. Час назад был известен миллион астероидов, сейчас — миллион четыре. Вряд ли это можно назвать выдающейся сенсацией.
Время от времени, конечно, астрономы продолжают открывать необычные тела. Например, недавно специалисты обнаружили кометное тело с ядром 150 км в поперечнике. Таких кометных ядер мы ранее не знали, и тут есть, о чем задуматься.
Большой интерес привлекли к себе малые тела в Солнечной системе, имеющие межзвёздное происхождение: астероид 1I/Оумуамуа и комета Борисова. Вряд ли нам так повезло, что мы никогда не наблюдали межзвёздные объекты, а потом за пару лет открыли сразу две штуки. Скорее всего, это связано с тем, что мы качественнее смотрим на небо. Возможно, в будущем подобные тела, которые прилетели в Солнечную систему извне, мы начнём открывать ещё активнее. Это, конечно, очень интересно, поскольку даёт прямую возможность исследовать формирование планетных систем, отличных от Солнечной.
То, что мы хорошо знаем нашу Солнечную систему — замечательно. У нас есть огромный объём наблюдательных данных и об астероидах, и о кометах, и о других телах. Метеориты — просто подарки, которые сыплются нам на голову. Но при этом всегда остаётся вопрос о том, насколько это типично для нашей Галактики и других галактик. И вот теперь мы видим тела, которые прилетают из других планетных систем, и мы их можем более-менее подробно исследовать. Многое мы уже знаем, но есть потенциал для новых открытий, в том числе неожиданных.
«Ой, смотрите! Там планета появилась»
Однажды мне задали вопрос — могут ли астрономы наблюдать зарождение нового крупного космического тела в нашей Солнечной системе. Это совершенно исключено, потому что большое космическое тело не может сформироваться из пустоты. Для этого должен быть какой-то исходный материал. А исходного материала для крупного тела в Солнечной системе нет. Потому что чудес не бывает — всё крупное, что могло сформироваться в Солнечной системе, сформировалось 4,5 млрд лет назад.
Но наш инструментарий достиг такой степени, что мы можем исследовать формирующиеся планетные системы у других звёзд, и эти наблюдения постепенно становятся рутинным процессом. Впервые астрономы обнаружили у молодых звёзд газопылевые диски, в которых, предположительно, происходит формирование планет, в 1990-х гг. Речь не шла о сенсации, потому что учёные уже давно предполагали, что так оно и происходит. Тем не менее, было очень интересно увидеть газопылевые диски, в которых формируются планетные системы. Хочется сказать — формируются «у нас на глазах», но нужно понимать, что происходит это всё очень медленно. И мы не можем 15—20 лет пронаблюдать за протопланетным диском и воскликнуть: «Ой, смотрите! Там планета появилась». Мы видим протопланетные диски на разных стадиях эволюции: совсем молодые и такие, в которых, по-видимому, планеты уже присутствуют. И вот этой информации у астрономов становится всё больше.
Сам я не участвую в открытии объектов Солнечной системы. Моя область интересов — именно формирование звёзд и планетных систем. Наша группа смотрит не столько на Солнечную систему, сколько на протопланетные диски. Но интерес к Солнечной системе стоит для нас очень высоко. Мы наблюдаем газопылевые диски и говорим: они протопланетные, то есть как бы постулируем, что в них формируются планеты. Но что получится из них в конечном итоге? Получится ещё одна Солнечная система? Или что-то совсем другое? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны понимать не только то, как функционируют протопланетные диски, но и то, как устроена Солнечная система. Иными словами, мы должны понимать, что хотим получить в конце. Поэтому Солнечной системой мы тоже занимаемся, но главным образом кометами. Потому что кометы — это своеобразные молекулярные консервы, в которых сохранилось вещество из эпохи, когда Солнечная система была протопланетным диском.
Рассказывал: Дмитрий Вибе, Подготовка материала: Екатерина Шутова