Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

 

 

Після ретельного обговорення Ловеллівська обсерваторія запропонувала дати планеті назву Плутон, яку було затверджено. Символ PL складається із двох перших літер назви планети латинською мовою і водночас є монограмою із ініціалів Персіваля Ловелла.

 

Пошуки планет в обсерваторії не припинилися. Спостереження поширили як на вищі, так і на нижчі схилення і безперервно тривали до 1943 р. Загальна кількість зір в обстежених областях складала 44 675 000, що зайняло приблизно 7000 годин роботи на блінк-компараторі.

 

З часом з’ясувалося, що Плутон відрізняється від решти зовнішніх планет. Перші оцінки вказували на те, що планета у 6 разів масивніша за Землю. Орбіта її сильно видовжена, відстань од Сонця змінюється від 4,3 до 7,2 млрд км за «плутонівський рік», що дорівнює 248 земним рокам. Нахил площини орбіти 17°.

 

У січні 1979 р. відстань Плутона від Сонця стала менша, ніж у Нептуна, що зробило його восьмою планетою Сонячної системи до весни 1999 р. У 1989 р. Плутон досягне найменшої відстані від Сонця (перигелію), потім віддалятиметься і знову займе таке положення на орбіті через 248 р.

 

Протягом майже півстоліття з часу відкриття Плутона єдине, що було відомо про нього, за винятком орбітальних параметрів, це зміна блиску. Фотометричні спостереження почалися в 1952 р. М. Уокер і Р. Харді (Ловеллівська обсерваторія) встановили, що зміна блиску з періодом майже 6,4 доби відбувається внаслідок обертання планети навколо осі.

 

Ранні спроби визначити діаметр планети успіху не принесли через її малий розмір і віддаленість від Землі. Перші вдалі вимірювання дали оцінку 6000 км. З цього робили висновок, що планета щільніша за Землю. Але сучасні оцінки маси Плутона, які грунтуються на ретельнішому аналізі аномалій в русі Урана і Нептуна, показали, що початкові припущення помилкові.

 

За останні 25 років оцінка маси Плутона змінювалась віл двох мас Землі до однієї, потім до 1/6 і рештою до 1/10.

 

У 1976 р. Д. Крукшенк в співробітництві з Д. Моррісоном і К. Пілчером із Гавайського університету знайшли спектрофотометричні свідчення того, що більша частина поверхні Плутона вкрита метановим льодом. Це означало, що відбивна здатність поверхні досить велика. Тому, знаючи блиск, дійшли висновку що планета має менші розміри і масу, ніж вважали раніше. Вони розрахували, що діаметр Плутона становить 2800—3300 км Шлях до обчислення маси з більшою точністю, ніж це давала можливість теорія збурень орбіти або оцінки діаметра і густини, відкрився після того, як встановили, що в Плутона є супутник.

 

Повідомлення про відкриття супутника Плутона Дж. Крісті (Морська обсерваторія США) з’явилося 7 червня 1978 р. в Циркулярі № 3241 Центрального бюро астрономічних телеграм Міжнародного астрономічного союзу.

 

Відкриття супутника 1978 РІ було несподіваним, історія його коротка, майже миттєва, — з астрономічної точки зору.

 

Під час виконання програми поліпшення орбітальних даних Плутона, яка розпочалася в 1978 р., Дж. Крісті помітив, що зображення планети на фотознімках, одержаних за допомогою 155-см астрометричного рефлектора, мають видовжену форму. При обробці пластинок на автоматичній вимірювальній машині у Вашінгтоні Дж. Крісті відзначив, що на пластинках від 13 і 20 квітня зображення має виступ з південного боку, а від 12 травня видовженість була в північному напрямку.

 

Оскільки на всіх шести пластинках, знятих в кожну ніч, зображення мало однаковий вигляд, стало ясно, що це не дефект знімку. Це також не був телескопічний дефект, бо сусідні зорі здавалися цілком округлими. Рух планети було виключено, бо він дуже повільний, щоб за короткий час експозиції стати помітним. Крім того, видовженість внаслідок руху мала бути в напрямку схід—захід, а не північ—південь. Можливість наявності слабої зорі на цьому місці виключили після перегляду Паломарських зоряних карт.

Залишалося єдине пояснення, пов’язане з самою планетою. Це міг бути супутник або дуже незвичайні варіації поверхневої яскравості.

 

Далі події розвивалися дуже швидко. Дж. Крісті повернувся до обсерваторії у Флагстаффі, де перевірив усі пластинки, одержані раніше на цьому телескопі для інших програм в 1965, 1970 і 1971 рр. На двох пластинках 1965 р. і п’яти 1970 р. астроном помітив видовженість зображень. Розмір її важко було оцінити, але напрямок можна встановити. Дослідження пластинок 1970 р. привело до значення періоду обертання цього виступу трохи більшого за шість діб.

 

Розглянули також можливість поверхневого ефекту. Серед небагатьох достовірних даних про Плутон — блиск, який змінюється на 20% з періодом 6,4 доби. Ці варіації блиску пов’язували зі зміною відбивної здатності поверхні. Щоб виключити цю причину, провели декілька модельних експериментів на ЕОМ, в яких показали, що планета з діаметром навіть 6000 км не може дати видовженість зображення спостережуваного розміру.

 

У спробі первісної інтерпретації Дж. Крісті і Р. Харрінгтон зробили припущення, що майже шестидобовий період, пов’язаний з кривою блиску, належить також до супутника. Вони прийняли, що орбіта його колова, з радіусом, рівним максимальній спостережуваній відстані од планети. Момент і напрям максимального видовження зображення відповідають проходженню супутника через вузол. Щоб обмежити напрямок видовження зображення, припустили, що нахил його орбіти достатньо великий, але не настільки, щоб впливати на криву блиску.

 

На підставі цих припущень були розраховані елементи орбіти супутника. Збіг розрахованого і спостережуваного напрямків був на диво точний.

 

За даними спостережень, виступ існує в певному напрямку і в певні моменти, розмір його приблизно 0,7″. Отже, для його виявлення повинні бути найкращі умови спостереження, а вони були малосприятливі. Плутон вже перебував на заході, коли закінчувались присмерки. Незважаючи на це, спостереження тривали до середини липня.

 

Звернулися також з проханням до Дж. Грсхема провести спостереження на 4-м телескопі в Сьєрра-Тололо. Він виконав їх 6 червня. Цього ж дня Плутон спостерігався на обсерваторії Мак-Дональд. Усі спостереження підтверджували реальність явища. Тому 7 червня про відкриття було оголошено публічно.

 

Згодом з’явилися ще декілька додаткових спостережень. Але в цей час Плутон заходив за Сонце, і спостереження припинилися до січня 1979 р. Перегляд пластинок, одержаних на Мауна-Кеа в 1977 р., також виявив наявність «горба» на зображеннях Плутона. Підстав для сумніву, що у Плутона є супутник, начебто не виникло.

 

Дж. Крісті запропонував для об’єкта 1978 РІ назву Харон. Згідно з грецькою міфологією, Харон перевозив на човні душі померлих через річку Стікс в Аід, володіння Плутона.

 

Харон важко спостерігати окремо від Плутона. Його орбіта не дуже відхиляється від колової, має радіус приблизно 20000 км. За розмірами Харон не вельми менший за Плутона, масу його також можна порівняти з масою планети, тому щоорбітальний період супутника дорівнює періоду обертання Плутона. Ці два тіла повернені одне до одного одними і тими самими сторонами. Вони нагадують подвійну систему Земля — Місяць, але з тією різницею, що Харон наче зависає над одним і тим же районом Плутона.

 

Таке синхронне обертання може встановитися тільки тоді, коли маса супутника перевищує 5% маси планети. Для порівняння: маса Місяця менше, ніж 2% маси Землі. Місяць завжди повернутий до Землі однією стороною, але обертання Землі не сповільнилось до одного оберту за місяць. Це означає, що Харон — єдиний відомий природний синхронний супутник у Сонячній системі.

 

Сенсаційне відкриття супутника спричинилося до чергового радикального перегляду відомостей про Плутон. Співробітники інституту фізики Землі ім. О. Ю. Шмідта обчислили нові значення маси і радіуса Плутона.

 

Для цього вони скористалися законом Кеплера, записаним у вигляді

m₁ + m₂ / m₁₀ + m₂₀ = М/М₀ = а₁³Р₀²/а₀³Р₁²

 

де m₁ і m₂ — маси планети і супутника; m₁₀ і m₂₀ — маси складових якоїсь еталонної системи, наприклад Землі і Місяця, m₁₀ = 5,98х10²⁷ г; m₂₀ = (1/81) / m¹⁰, а величини а₁ = 20∙10³ км і Р₁ = 6,4 доби — відстань між Плутоном і його супутником і період обертання супутника навколо Плутона; ті ж величини для Землі і Місяця становлять а₀ = 384∙10³ км і Р₀ = 27,33 доби. Одержали сумарну масу системи Плутон — Харон, в 390 разів меншу за сумарну масу Земля — Місяць. Щоб оцінити радіус Плутона, припустили, що вся маса зосереджена в планету (m₁ > m₂), а для середньої густини взяли значення густини для Каллісто — галілейового супутника Юпітера. Цей супутник здебільшого складається із водяного льоду, і його густина приблизно 1,7 г/см³. В результаті — розмір радіуса Плутона 1300 км, що відповідає запропонованому Дж. Крукшенком. Радіус Харона оцінили вдвічі меншим, а масу — на порядок меншою, ніж у Плутона.

 

Для спостерігача на Плутоні Харон має дуже привабливий вигляд: за розміром він у 5 разів більший, ніж Місяць на нашому небі, видима зоряна величина — 9^m—9,5^m, що відповідає блиску Місяця в першій чверті. Подібно до Місяця, Харон проходить через фази з періодом 6,4 доби.

 

Плутон не є таким похмурим, темним, як це може здатися, виходячи з його назви «бог темряви». Сонце з’являється на його небі у вигляді зорі з блиском —19^m і дає освітленість в  1600 разів більшу, ніж повний Місяць на Землі.

 

Колова орбіта Харона орієнтована майже перпендикулярно до площини орбіти Плутона. Звідси випливає, що екваторіальна площина Плутона також приблизно перпендикулярна до площини своєї орбіти. Ця властивість вважалася унікальною тільки для Урана.

 

Коли Земля проходить через орбітальну площину Харона, можна спостерігати затемнення Плутона Хароном і проходження Харона по диску Плутона. Такі події трапляються на протязі двох коротких періодів за час повного оберту планети навколо Сонця. Вперше затемнення спостерігали на початку 1985 р. Послідовна серія затемнень відбуватиметься на протязі декількох років до 1990 р. включно.

 

Затемнення має місце тоді, коли один об’єкт із системи Плутон—Харон затуляє інший. Через мале відношення діаметрів (2:1) центральне затемнення Плутона Хароном внесе поправку в загальний блиск не більше 0,5^m, а Харона Плутоном — 0,25^m або менше. Різниця збільшується внаслідок того, що поверхня Харона темніша, ніж Плутона, а також тому, що тінь від супутника пересувається вздовж поверхні планети.

 

При загальному середньому значенні блиску 14^m величина поправки мала, але заміряти її можна.

 

Мала відстань між двома тілами (~0″,9) не дає змоги телескопічно провести фотометричні дослідження кожного об’єкта окремо. Ця величина перебуває на межі кутової роздільної здатності земної атмосфери в оптичному діапазоні спектра.

 

Щоб розділити планету і супутник, використали сучасну техніку спекл-інтерферометрії. Вперше такі спостереження виконані 5 червня 1980 р. за допомогою гарвардської спекл-камери на одному з 1,8 м дзеркал багатодзеркального телескопа. Повторно з цією апаратурою спостереження проведено в лютому 1984 р. Серія подібних спостережень виконана в квітні 1981 р. на 1,5-м рефлекторі Європейської південної обсерваторії (Чілі).

 

Цими спостереженнями вдалося відокремити зображення супутника від планети, коли він знаходився на різних відстанях і в різних позиційних кутах. Так, у 1980 р. Харон на час спостереження був на відстані 0,31″ при позиційному положенні 285°. В 1981 р. між 2 і 3 квітня внаслідок руху Харона його позиційний кут змінився з 188 ° до 170 °, а кутова відстань від Плутона збільшилась з .0,63″ до 0,95″. У лютому 1984 р. супутник спостерігали на відстані 0,17″ в позиційному куті 18°. Ці результати використано для того, щоб уточнити орбіту супутника, розраховану Дж. Крісті і Р. Харрінгтоном.

 

Встановлено, що нахил орбіти супутника до орбітальної площини планети становить 94°, діаметри відповідають визначеним раніше 3000±400 км для Плутона і 1100 ±600 км для Харона.

 

Малі розміри цих тіл ускладнюють обчислення їх фізичних параметрів. Крива блиску, як було сказано раніше, показує здебільшого зміну поверхневого альбедо, або точніше — різне співвідношення світлих і темних деталей. За спостереженнями минулих років було виявлено, що крива блиску з часом змінюється за фазою і амплітудою. Цей факт пов’язували зі зміною аспекту спостереження за рахунок великого кута нахилу осі обертання планети, завдяки чому були щоразу видимі різні ділянки поверхні.

 

Під час затемнення на криву блиску впливає блиск супутника. Якщо два розглянутих ефекти розділити, то спостереження затемнення, особливо встановлення часу початку і кінця його, приведе до визначення нахилу орбіти Харона, фізичних розмірів і фігури обох тіл, можливо навіть, одержання уявлення про поверхневі деталі.

 

Проходження Землі через площину орбіти Харона дало змогу провести в 1985—1986 рр. серію спостережень змін блиску системи Плутон—Харон і вивести ряд параметрів.

 

Покриття Харона Плутоном і проходження його по диску Плутона спостерігали в січні—лютому 1985 р. на обсерваторії Мауна-Кеа за допомогою 2,24 м телескопа і електрофотометра, який працює в режимі рахунку фотонів.

 

Потім через орбітальний рух Землі це явище не було видно. Але в квітні 1986 р. затемнення знову спостерігали навіть у кращих умовах. 2 квітня 1986 р. проходження Харона по диску Плутона і 18 квітня 1986 р. затемнення Харона Плутоном спостерігали на телескопах 2,2 м Європейської південної обсерваторії і 1,5 м в Данії групою німецьких вчених, котрі використали сучасні засоби фотографування за допомогою приладів із зарядовим зв’язком.

 

Ретельне опрацювання кривих блиску з урахуванням всіх можливих ефектів, впливаючих на блиск, дало такі значення параметрів системи: абсолютна зоряна величина V (1,0) у Плутона — 0,56^m, у Харона — 1,10^m, радіус Плутона — 1100 ± 70 км, Харона — 580 ± 50 км, радіус орбіти Харона — 19130 ± 460 км; середня густина Плутона — 2,1 ±0,5 г/см³, середнє геометричне альбедо — 0,63 і 0,49 (у Харона менше); період обертання Плутона і рівний йому період обертання Харона — 6,38718 ± 0,00011 діб; нахил орбіти Харона 94,3°; ексцентриситет менше 0,002; епоха 1986, квітень 18,125 всесвітнього часу.

 

Поверхня Плутона в основному складається з метанового льоду, але повинен бути й інший компонент, темніший. Інтенсивність смуг поглинання метана неоднакова в спектрах різних областей планети. Ці варіації корелюють зі змінами яскравості усієї планети. Можливо, світлі області вкриті метановим льодом, а в темних поверх нього лежить речовина невідомого складу, що є продуктом фотолізу метану.

 

Дуже цікаві обставини, можливо, також пов’язані з наявністю метанового льоду на поверхні. Американські астрономи Л. Андерсон і Дж. Фікс встановили, що за 20 років (з 1953 р.) зоряна величина Плутона збільшилась на 0,22^m і стала 15,12^m замість 14,90^m, тобто планета потемнішала. Спостереження співробітників Головної астрономічної обсерваторії АН УРСР 1980 р. підтвердили це явище.

 

Можливо, його можна пояснити тим, що за цей час Плутон наблизився до Сонця майже на 5 а. о. і відповідно отримував від нього більше теплової енергії, внаслідок чого лід почав танути.

 

До певного часу вчені дотримувались точки зору, що всі звичайні гази або замерзли при дуже низькій температурі Плутона (43 К), або швидко звітрились через малу силу тяжіння. Вважали, що єдиним газом, який утворює атмосферу планети, є неон.

 

Наявність метанового льоду на Плутоні дає змогу припустити існування розрідженої атмосфери, подібно до тої, що має місце на супутнику Нептуна Тритоні. У перигелії температура підвищується до 65 К і частина твердого метану перетворюється на газ. Метан більш леткий, ніж вода; іншими словами, тиск пару над метановим льодом при даній температурі більший, ніж для водяного льоду. При низьких температурах, які переважають на периферії Сонячної системи, водяний лід фактично не сублімує, а метановий сублімує інтенсивно.

 

Завдяки великому ексцентриситету орбіти (0,25) і як наслідок — зміні відстані від Сонця в межах 29—49 а. о., значна атмосфера може існувати при проходженні Плутоном перигелія. Аналізуючи інфрачервоні спостереження Плутона і Харона, виконані штучним супутником Землі IRAS в 1983 р., астрономи дійшли висновку, що поверхня Плутона має скрізь однакову температуру. Така однорідність забезпечується тільки щільною атмосферою. Якщо це так, то кількість таємниць Плутона збільшилась.

 

Однією з них є саме походження Плутона. Він відрізняється від інших зовнішніх планет Сонячної системи, а за розмірами і складом поверхні схожий на супутник Нептуна — Тритон. Це навело на думку, що колись він був супутником, а батьківською планетою був Нептун. Вперше таку гіпотезу запропонував англійський теоретик Р. Літтлтон ще в 1936 р.

 

У наш час Плутон не проходить близько орбіти Нептуна, а значно вище, коли вони перетинаються. Але так могло бути не завжди, особливо на ранній стадії утворення Сонячної системи. Більш того, сучасна система супутників Нептуна унікальна: один із супутників — Тритон — обертається в зворотному напрямку, а другий — Нереїда — має дуже видовжену орбіту.

 

Розрахунки Т. Ван-Фландерна і Р. Харрінгтона, можливо, дають пояснення цим явищам. Якщо первісне Нептун мав правильну систему із трьох супутників, але зустрівся з невідомою планетою, маса якої становила 3—4 маси Землі, то Плутон вирвало із цієї системи, а орбіти інших супутників змінилися. При цьому планета-руйнівник могла проходити близько від Плутона, так що від нього міг відірватися шматок, що й став його супутником. Явище мало бути дуже бурхливим. Не виключено, що коли КА «Вояджер-2» пройде повз Нептун в 1989 р., ми матимемо доказ таких катастрофічних подій.

 

Що трапилось з невідомою планетою? Можливо, її орбіта стала більш видовженою, ніж була. Середня відстань од Сонця може перебувати у межах 5,0—100 а. о., період обертання лежить між 350 і 1000 роками, перигелій проходить поблизу орбіти Нептуна. Така планета більшість часу знаходиться на великій відстані од Сонця, повільно пересувається, тому її дуже важко побачити. Саме вона, можливо, і є планетою Ікс, що в 5—6 разів масивніша за Землю, існування якої прогнозував П. Ловелл. Адже маленький Плутон не міг так сильно збурювати орбіти великих планет. А відкриття його в 1930 р. зумовлено скоріш за все ретельністю пошуку, ніж справедливістю передбачення.

 

Значний гравітаційний вплив Сонця простягається до 600 а. о. Припускають існування ще 5—6 планет, що чекають на своє відкриття.

 

Крім Т. Ван-Фландерна і Р. Харрінгтона свою гіпотезу походження Плутона висунув радянський вчений Т. М. Енеєв. За цією гіпотезою, Плутон виник як астероїд у занептуновому астероїдному поясі, існування якого він прогнозує. Під впливом збурень від собі подібних астероїдів він наблизився до Нептуна, який перевів його на сучасну орбіту Плутона.

 

Поки що все це залишається цікавими припущеннями, а дані про Плутон — не цілком достовірними.

 

На жаль, Плутон ще довго буде єдиною планетою, до якої не наблизиться космічний корабель. Тому дуже важливо використовувати всі можливості його спостереження з Землі при сучасних умовах, які повторно виникнуть лише в далекому майбутньому. Так, положення Землі і Плутона будуть сприятливі для спостереження затемнень лише в 2100 р., а Плутон знову досягне перигелія в 2237 р.

 

Джерело: Короткий астрономічний календар 1989, с. 161—172.