| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Плутон и Харон
| |||||
 Плутон и Харон |
|||||
Плутон и его спутники |
Страница:
Характеристики Плутона, Спутники Плутона;
|
|
Плутон и Харон
Из истории исследований Плутон и Харон
Плутон (134340 Pluto) - одна из крупнейших известных (наряду с Эридой) карликовых планет Солнечной системы, транснептуновый объект (ТНО) и десятое по размерам небесное тело, обращающееся вокруг Солнца - после восьми планет Солнечной системы и Эриды. Первоначально Плутон классифицировался как классическая планета, однако с 2006 года он считается карликовой планетой и одним из крупнейших объектов в поясе Койпера. Как и большинство объектов в поясе Койпера, Плутон состоит в основном из горных пород и льда и он относительно мал: его масса меньше массы Луны в пять раз, а объём - в три раза. Площадь поверхности Плутона примерно равна площади России. Со дня своего открытия в 1930 и до 2006 года Плутон считался девятой планетой Солнечной системы. Однако в конце XX и начале XXI века во внешней части Солнечной системы было открыто множество объектов. Среди них примечательны Квавар, Седна и особенно Эрида, которая на 27% массивнее Плутона. 24 августа 2006 года МАС впервые дал определение термину «планета». Плутон не попадал под это определение, и МАС причислил его к новой категории карликовых планет вместе с Эридой и Церерой. После переклассификации Плутон был добавлен к списку малых планет и получил номер 134340 по каталогу Центра малых планет (ЦМП).
Плутон и его крупнейший спутник Харон, открытый в 1978 году, часто рассматриваются в качестве двойной планеты, поскольку барицентр их системы находится вне обоих объектов. Визуальные характеристики и строение Звёздная величина Плутона составляет в среднем 15,1, в перигелии достигает 13,65. Спектроскопический анализ Плутона показывает, что его поверхность более чем на 98% состоит из азотного льда со следами метана и моноокиси углерода. Расстояние и возможности современных телескопов не позволяют получить качественные снимки поверхности Плутона. Фотографии, полученные космическим телескопом «Хаббл», позволяют различить лишь самые общие детали, и то нечётко. Карты, составленные по данным телескопа «Хаббл», свидетельствуют о том, что поверхность Плутона крайне неоднородна. Об этом также свидетельствует и кривая блеска Плутона (то есть зависимость его видимой яркости от времени) и периодические изменения в его инфракрасном спектре. Поверхность Плутона, обращённая к Харону, содержит немало метанового льда, в то время как противоположная сторона содержит больше льда из азота и моноокиси углерода и там почти нет метанового льда. Благодаря этому, Плутон занимает второе место по контрастности поверхности среди объектов Солнечной системы (после Япета).
Данные, полученные с помощью космического телескопа «Хаббл», позволяют предположить, что плотность Плутона составляет 1,8-2,1 г/см3. Вероятно, внутреннюю структуру Плутона составляют 50-70% горных пород и 50-30% льда. В условиях системы Плутона может существовать водяной лёд, а также замёрзшие азот, монооксид углерода и метан. Поскольку распад радиоактивных минералов в итоге нагрел бы льды достаточно для того, чтобы они отделились от горных пород, учёные предполагают, что внутренняя структура Плутона дифференцирована - горные породы в плотном ядре, окружённые мантией изо льда, толщина которой в таком случае должна будет составлять примерно 300 км. Также возможно, что нагревание продолжается и сегодня, создавая под поверхностью океан жидкой воды.
В конце 2011 года телескопом Хаббл на Плутоне были обнаружены сложные углеводороды - сильные линии поглощения, свидетельствующие о присутствии на поверхности карликовой планеты целого ряда ранее не выявленных соединений. Масса и размеры: Астрономы, первоначально полагая, что Плутон есть «Планета X» Лоуэлла, вычислили его массу на основе его предполагаемого воздействия на орбиту Нептуна и Урана. В 1931 году считалось, что масса Плутона приблизительно равна массе Земли, а дальнейшие вычисления позволили понизить эту оценку к 1948 году приблизительно до массы Марса. В 1976 году Дейл Крукшенк, Карл Пилчер и Дэвид Моррисон из Гавайского университета впервые вычислили альбедо Плутона, найдя, что оно соответствует альбедо метанового льда. Исходя из этого было решено, что Плутон должен быть исключительно ярким для своего размера и потому не мог иметь массу больше, чем 1% от массы Земли. Открытие в 1978 году спутника Плутона - Харона - позволило измерить массу системы Плутона, используя третий закон Кеплера. Как только гравитационное влияние Харона на Плутон было вычислено, оценки массы системы Плутон - Харон упали до 1,31·1022 кг, что на четверть меньше массы Эриды и составляет 0,22% от массы Земли. Точное определение массы Плутона в настоящий момент невозможно, так как неизвестно соотношение масс Плутона и Харона. В настоящее время считается, что массы Плутона и Харона соотносятся в пропорции 89:11, с возможной ошибкой 1%. В целом возможная ошибка определения основных параметров Плутона и Харона составляет от 1 до 10%.
До 1950 года считалось, что по диаметру Плутон близок к Марсу (то есть около 6700 км), ввиду того, что если бы Марс был на таком же расстоянии от Солнца, то он тоже имел бы 15 звёздную величину. В 1950 Дж. Койпер измерил при помощи телескопа с 5-метровым объективом угловой диаметр Плутона, получив значение 0,23'', которому соответствует диаметр в 5900 км. В 1963 году Холидей (Ian Halliday) предложил метод оценки диаметра Плутона на основании наблюдения из нескольких обсерваторий покрытия им звезды. Расчёты показали, что в ночь с 28 на 29 апреля 1965 года Плутон должен был покрыть звезду 15-й величины с экваториальными координатами: прямое восхождение - 11 ч 23 мин 12,1 с, склонение - 19°47'32''(1950), если бы его диаметр был равен определённому Койпером. Двенадцать обсерваторий следили за блеском этой звёздочки, но он не ослабел. Так было установлено, что диаметр Плутона не превосходит 5500 км. В 1978 году, после открытия Харона, диаметр Плутона был оценён как 2600 км. Позднее, наблюдения за Плутоном во время затмений Плутона Хароном и Харона Плутоном в 1985-1990 годах позволили установить, что его диаметр равен примерно 2390 км. В 2007 году радиус Плутона был определён в 1161 км, в 2014 году - 1184 км. Площадь поверхности Плутона составляет 16647940 км2 (вероятно, вычислена исходя из среднего радиуса 1151 км), по другой оценке - 17900000 км2, в обоих случаях она сопоставима с площадью территории России. С изобретением адаптивной оптики удалось точно определить и форму планеты. Среди объектов Солнечной системы Плутон меньше по размерам и массе не только в сравнении с остальными планетами, он уступает даже некоторым их спутникам. Например, масса Плутона составляет лишь 0,2 от массы естественного спутника Земли Луны. Плутон также меньше шести естественных спутников других планет: Ганимеда, Титана, Каллисто, Ио, Европы и Тритона. Плутон более чем в два раза больше в диаметре и раз в четырнадцать массивнее Цереры, крупнейшего объекта в поясе астероидов (расположенного между орбитами Марса и Юпитера), однако, при приблизительно равных диаметрах, уступает в массе карликовой планете Эриде из рассеянного диска, обнаруженной в 2005 году. Атмосфера Плутона: Атмосфера Плутона - тонкая оболочка из азота, метана и монооксида углерода, испаряющихся с поверхностного льда. С 2000 по 2010 год атмосфера значительно расширилась за счёт сублимации поверхностных льдов. На рубеже XXI века она простиралась на 100-135 км над поверхностью, а по результатам измерений 2009-2010 годов - тянется более чем на 3000 км, что составляет около одной шестой расстояния до Харона. Термодинамические соображения диктуют следующий состав этой атмосферы: 99% азота, чуть меньше 1% моноокиси углерода, 0,1% метана. Когда Плутон отдаляется от Солнца, его атмосфера замораживается и оседает на поверхности. При приближении Плутона к Солнцу солнечное тепло разогревает его поверхность, льды сублимируются, превращаясь в газы. Это создаёт антипарниковый эффект: подобно поту, охлаждающему тело при испарении с поверхности кожи, сублимация производит охлаждающее действие на поверхность Плутона. Учёные недавно вычислили, что температура на поверхности Плутона 43 К (-230,1 °C), что на 10 К меньше, чем ожидалось. Верхняя атмосфера Плутона значительно теплее, чем поверхность, её температура составляет 100 К (-173°С).
Атмосфера Плутона была обнаружена в 1985 году при наблюдении покрытия им звёзд. Когда объект не имеет атмосферы, покрытие звезды происходит достаточно резко, в случае же с Плутоном звезда затемняется постепенно. В дальнейшем факт наличия атмосферы был подтверждён интенсивными наблюдениями за другими покрытиями в 1988 году. Как было установлено по коэффициенту поглощения света, атмосферное давление на Плутоне во время этих наблюдений составляло всего 0,15 Па, что составляет лишь 1/675 500 от земного. В 2002 году очередное покрытие звезды Плутоном наблюдалось и анализировалось командами под началом Брюно Сикарди из Парижской обсерватории, Джеймсом Л. Элиотом из МТИ и Джеем Пасачоффом из Уильямстаунского колледжа (Массачусетс). Атмосферное давление оценивалось на момент измерений в 0,3 Па, несмотря на то, что Плутон был дальше от Солнца, чем в 1988 году, и, таким образом, должен был быть более холодным и иметь более разреженную атмосферу. Одно из объяснений несоответствия состоит в том, что в 1987 году северный (или положительный) полюс Плутона впервые за 120 лет вышел из тени, что способствовало испарению дополнительного азота из полярных шапок. Теперь потребуются десятилетия, чтобы этот газ конденсировался из атмосферы.
В октябре 2006 Дейл Крукшенк из исследовательского центра НАСА (новый научный сотрудник миссии «Новые горизонты») и его коллеги объявили об открытии при спектрографии Плутона этана на его поверхности. Этан - производное от фотолиза или радиолиза (то есть химического преобразования при воздействии солнечного света и заряженных частиц) замороженного метана на поверхности Плутона; он выделяется, судя по всему, в атмосферу. В марте 2014 года были опубликованы данные, полученные Очень большим телескопом (VLT), об атмосфере Плутона и содержании метана в ней за период с 2008 года по 2012 год. Атмосфера состоит в основном из молекулярного азота, метана - 0,44%. Давление атмосферы составляет 15 микробар (1,5 Па). Орбита Плутона:
Орбита Плутона значительно отличается от орбит планет Солнечной системы. Она сильно наклонена относительно эклиптики (более чем на 17°) и сильно эксцентрична (эллиптически). Орбиты всех планет (кроме Меркурия) Солнечной системы близки к круговым и составляют небольшой угол с плоскостью эклиптики. Большая полуось орбиты Плутона составляет 5,906 млрд км, или 39,482 а. е., но из-за большого эксцентриситета орбиты (0,249) расстояние Плутона от Солнца меняется от 4,437 млрд км в перигелии до 7,376 млрд км в афелии (29,7-49,3 а. е.). Свет проходит расстояние от Солнца до Плутона, соответственно, за 247 минут в перигелии и 410 минут в афелии. На 8 минут меньше требуется радиоволнам, чтобы пройти расстояние от Земли до космического аппарата, находящегося рядом с Плутоном, при противостоянии.
Большой эксцентриситет орбиты приводит к тому, что часть её проходит ближе к Солнцу, чем Нептун. Последний раз такое положение Плутон занимал с 7 февраля 1979 по 11 февраля 1999 года. Детальные вычисления показывают, что до этого Плутон занимал такое положение с 11 июля 1735 по 15 сентября 1749 года, причём всего 14 лет, тогда как с 30 апреля 1483 по 23 июля 1503 года он находился в таком положении 20 лет. Из-за большого наклона орбиты Плутона к плоскости эклиптики, орбиты Плутона и Нептуна не пересекаются. Проходя перигелий, Плутон находится в 10 а. е. над плоскостью эклиптики. К тому же, период обращения Плутона равен 247,92 земного года, и Плутон делает два оборота за то время, пока Нептун делает три. В результате Плутон и Нептун никогда не сближаются менее чем на 17 а. е. Орбиту Плутона можно предсказать на несколько миллионов лет как назад, так и вперёд, но не больше. Механическое движение Плутона хаотично и описывается нелинейными уравнениями. Но чтобы заметить этот хаос, необходимо наблюдать за ним достаточно долго. Есть характерное время его развития, так называемое время Ляпунова, которое для Плутона составляет 10-20 млн лет. Если производить наблюдения в течение малых промежутков времени, будет казаться, что движение регулярное (периодическое по эллиптической орбите). На самом же деле орбита с каждым периодом чуть сдвигается, и за время Ляпунова сдвигается настолько сильно, что следов от первоначальной орбиты уже не остаётся. Поэтому и моделировать движение очень сложно.
Плутон находится с Нептуном в орбитальном резонансе 3:2 - на каждые три оборота Нептуна вокруг Солнца приходится два оборота Плутона, весь цикл занимает 500 лет. Проекция орбиты Плутона на плоскость эклиптики пересекается с проекцией орбиты Нептуна, поэтому кажется, что Плутон должен периодически сильно приближаться к Нептуну. Парадокс заключается в том, что Плутон иногда оказывается ближе к Урану. Причина этого - всё тот же резонанс. В каждом цикле, когда Плутон первый раз проходит перигелий, Нептун оказывается впереди Плутона (например, во время перигелия 5 сентября 1989 года - в 57°); когда Плутон второй раз будет проходить перигелий, Нептун сделает полтора оборота вокруг Солнца и окажется позади Плутона (во время перигелия 16 сентября 2237 года - в 120°); в то время, когда Нептун и Плутон оказываются на одной линии с Солнцем и по одну от него сторону, Плутон уходит в афелий. Таким образом, Плутон не бывает ближе 17 а. е. к Нептуну, а с Ураном возможны сближения до 11 а. е. Орбитальный резонанс между Плутоном и Нептуном очень стабилен и сохраняется миллионы лет. Даже если бы орбита Плутона лежала в плоскости эклиптики, столкновение было бы невозможно. Стабильная взаимозависимость орбит свидетельствует против гипотезы, что Плутон был спутником Нептуна и покинул его систему. Однако возникает вопрос: если Плутон никогда не проходил близко от Нептуна, то откуда мог возникнуть резонанс у карликовой планеты, гораздо менее массивной, чем, например, Луна? Одна из теорий предполагает, что если Плутон изначально не был в резонансе с Нептуном, то он, вероятно, время от времени сближался с ним гораздо сильнее, и эти сближения за миллиарды лет воздействовали на Плутон, изменив его орбиту и превратив её в наблюдаемую ныне.
Дополнительные факторы, влияющие на орбиту Плутона: Расчёты позволили установить, что в течение миллионов лет общая природа взаимодействий между Нептуном и Плутоном не меняется. Однако существует ещё несколько резонансов и воздействий, которые влияют на особенности их перемещения относительно друг друга и дополнительно стабилизируют орбиту Плутона. Помимо орбитального резонанса 3:2, преимущественное значение имеют следующие два фактора. Во-первых, аргумент перигелия Плутона близок к 90°, что обеспечивает достаточно большую дистанцию до плоскости эклиптики и основных планет при прохождении перигелия, тем самым избегается сближение с Нептуном. Это прямое следствие эффекта Козаи, который соотносит эксцентриситет и наклонение орбиты (в данном случае орбиты Плутона), учитывая воздействие более массивного тела Нептуна. При этом амплитуда либрации Плутона относительно Нептуна составляет 38°, и угловое разделение перигелия Плутона с орбитой Нептуна всегда будет более 52° (то есть 90°-38°). Момент, когда угловое разделение бывает наименьшим, повторяется каждые 10 тыс. лет. Во-вторых, когда Плутон максимально приблизится к Солнцу, он будет дальше всего от плоскости орбиты Нептуна. Это явление называют суперрезонансом 1:1.
Для того чтобы понять природу либрации (колебаний), представьте, что вы смотрите на эклиптику сверху из удалённой точки, откуда планеты видны движущимися против часовой стрелки. После прохождения восходящего узла Плутон находится внутри орбиты Нептуна и движется быстрее, нагоняя Нептун сзади. Сильное притяжение между ними вызывает переход углового момента от Нептуна к Плутону. Это переводит Плутон на немного более высокую орбиту, где он движется чуть медленнее в соответствии с 3м законом Кеплера. Так как орбита Плутона меняется, то процесс постепенно влечёт за собой изменение перицентра и долгот Плутона (и, в меньшей степени, Нептуна). После многих таких циклов Плутон настолько тормозится, а Нептун настолько ускоряется, что Нептун начинает ловить Плутон на противоположной стороне своей орбиты (возле узла, противоположного тому, с которого мы начали). Процесс затем обращается, и Плутон отдаёт угловой момент Нептуну до тех пор, пока Плутон не разгоняется настолько, что начинает догонять Нептун возле первоначального узла. Полный цикл завершается примерно за 20 тыс. лет.
Вращение вокруг своей оси: Направление вращения у Плутона, как и у Венеры с Ураном, обратное, то есть противоположное направлению обращения планет вокруг Солнца. Сутки на Плутоне длятся 6,387 земных суток. До 2009 года северным полюсом Плутона, как и для других планет, считался тот из двух полюсов, который направлен в ту же сторону от неизменной плоскости Солнечной системы (она почти совпадает с плоскостью эклиптики), что и северный полюс Земли, его координаты были - прямое восхождение: 312°,993, склонение: 6°,163. В 2009 году МАС ввёл иные соглашения по системе координат, и с тех пор северным (или положительным) полюсом Плутона считается тот, который направлен в другую сторону от неизменной плоскости, его координаты - прямое восхождение: 132°,993, склонение: -6°,163. Если у Земли ось вращения направлена приблизительно на Полярную звезду, то ось вращения Плутона направлена в созвездие Гидры, недалеко от звезды Альфард. Угол наклона оси вращения Плутона к плоскости эклиптики - около 120°, это значительно ближе к 90°, чем у оси вращения Земли, поэтому времена года на Плутоне выражены намного сильнее, в этом он подобен Урану. По состоянию на 2015 год, в северном полушарии Плутона - весна, к Солнцу и Земле повёрнут северный полюс. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|