Число карликовых планет в Солнечной системе неизвестно. По оценкам, их число достигает 200 в поясе Койпера [1] и более 10 000 в регионе за его пределами. [2] Однако рассмотрение удивительно низких плотностей многих крупных транснептуновых объектов, а также спектроскопический анализ их поверхностей позволяют предположить, что число карликовых планет может быть гораздо меньшим, возможно, всего восемь или девять среди известных до сих пор тел. . [3] [4] Международный астрономический союз (МАС) определяет карликовые планеты как находящиеся в гидростатическом равновесии и отмечает, в частности, пять тел: Церера во внутренней части Солнечной системы и четыре в транснептуновой области: Плутон , Эрида , Хаумеа , и Макемаке . По результатам миссий New Horizons и Dawn было подтверждено, что только Плутон и Церера находятся в гидростатическом равновесии . [5] Эрида обычно считается карликовой планетой, поскольку по размеру она похожа на Плутон и даже более массивна. Хаумеа и Макемаке были приняты МАС в качестве карликовых планет для целей присвоения им названий, и они сохранят свои названия, если выяснится, что они не являются карликовыми планетами. Меньшие транснептуновые объекты были названы карликовыми планетами, если они кажутся твердыми телами, что является предпосылкой для гидростатического равновесия: планетологи обычно включают в себя как минимум Гонгонг , Квавар , Седну и иногда Оркуса . (На практике требование гидростатического равновесия в любом случае всегда ослабляется, даже МАС, поскольку в противном случае даже Меркурий не был бы планетой.)
Помимо вращения вокруг Солнца, отличительной особенностью карликовой планеты является то, что она имеет «достаточную массу, чтобы ее самогравитация могла преодолеть силы твердого тела и принять гидростатическую равновесную ( почти круглую ) форму». [6] [7] [8] Текущих наблюдений, как правило, недостаточно для прямого определения того, соответствует ли тело этому определению. Зачастую единственным ключом к разгадке существования транснептуновых объектов (TNO) является приблизительная оценка их диаметров и альбедо. Ледяные спутники диаметром до 1500 км оказались не в равновесии, тогда как темные объекты во внешней Солнечной системе часто имеют низкую плотность, что означает, что они даже не являются твердыми телами, а тем более карликовыми планетами, управляемыми гравитацией.
Церера , имеющая в своем составе значительное количество льда, является единственной признанной карликовой планетой в поясе астероидов , хотя и существуют необъяснимые аномалии. [9] 4 Веста , второй по массе астероид, имеющий базальтовый состав, по-видимому, имеет полностью дифференцированную внутреннюю часть и, следовательно, в какой-то момент своей истории находилась в равновесии, но сегодня это уже не так. [10] Третий по массивности объект, 2 Паллада , имеет несколько неровную поверхность и, как полагают, имеет лишь частично дифференцированную внутреннюю часть; она также менее ледяная, чем Церера. Майкл Браун подсчитал, что, поскольку скалистые объекты, такие как Веста, более жесткие, чем ледяные, скалистые объекты диаметром менее 900 километров (560 миль) могут не находиться в гидростатическом равновесии и, следовательно, не являться карликовыми планетами. [1] Остается открытым вопрос, являются ли два крупнейших ледяных астероида внешнего пояса 10 Гигея и 704 Интерамния также карликовыми планетами. [9] [11]
На основе сравнения с ледяными спутниками, которые посещали космические корабли, такими как Мимас (круглый диаметром 400 км) и Протей (неправильный диаметром 410–440 км), Браун подсчитал, что ледяное тело расслабляется до гидростатического равновесия при диаметр где-то между 200 и 400 км. [1] Однако после того, как Браун и Танкреди провели свои расчеты, более точное определение их формы показало, что Мимас и другие эллипсоидные спутники Сатурна среднего размера , по крайней мере , до Япета (который при диаметре 1471 км имеет примерно такой же размер). как Хаумеа и Макемаке) больше не находятся в гидростатическом равновесии; они также более ледяные, чем TNO. У них есть равновесные формы, которые некоторое время назад застыли на месте, и они не соответствуют формам, которые равновесные тела имели бы при их нынешних скоростях вращения. [12] Таким образом , Рея диаметром 1528 км является наименьшим телом, гравитационные измерения которого согласуются с текущим гидростатическим равновесием. Церера диаметром 950 км близка к равновесию, но некоторые отклонения от равновесной формы остаются необъяснимыми. [13] Гораздо более крупные объекты, такие как земная Луна и планета Меркурий, сегодня не находятся близко к гидростатическому равновесию, [14] [15] [16] , хотя Луна состоит в основном из силикатной породы, а Меркурий — из металла (в отличие от большинства кандидаты на карликовые планеты (лед и камень). Спутники Сатурна, возможно, подверглись термической истории, которая привела к образованию равновесных форм в телах, слишком маленьких, чтобы это могла сделать только гравитация. Таким образом, в настоящее время неизвестно, находятся ли какие-либо транснептуновые объекты размером меньше Плутона и Эриды в гидростатическом равновесии. [3] Тем не менее, на практике это не имеет значения, поскольку точное утверждение гидростатического равновесия в определении повсеместно игнорируется в пользу округлости и твердости. [3] [17]
Большинство средних ТНО размером примерно додиаметром 900–1000 км имеют значительно меньшую плотность (~1,0–1,2 г/мл ), чем более крупные тела, такие как Плутон (1,86 г/см 3 ). Браун предположил, что это произошло из-за их состава: они были почти полностью ледяными. Однако Гранди и др . [3] отмечают, что не существует известного механизма или эволюционного пути, по которому тела среднего размера могут быть ледяными, в то время как как большие, так и меньшие объекты частично каменистые. Они продемонстрировали, что при преобладающих температурах пояса Койпера водяной лед достаточно прочен, чтобы поддерживать открытые внутренние пространства (интерстиции) в объектах такого размера; они пришли к выводу, что ТНО среднего размера имеют низкую плотность по той же причине, что и объекты меньшего размера — потому что они не спрессовались под действием самогравитации в полностью твердые объекты, и, следовательно, типичный ТНО меньшеДиаметр 900–1000 км (в ожидании какого-то другого механизма формирования) вряд ли будет карликовой планетой.
В 2010 году Гонсало Танкреди представил МАС отчет, оценивающий список из 46 транснептуновых кандидатов на статус карликовой планеты на основе анализа амплитудной кривой блеска и расчета, согласно которому объект имел диаметр более 450 километров (280 миль). Некоторые диаметры были измерены, некоторые были оценены наиболее точно, а другие использовали предполагаемое альбедо 0,10 для расчета диаметра. Из них он определил 15 карликовых планет по своим критериям (включая 4, принятые МАС), еще 9 считал возможными. Чтобы быть осторожным, он посоветовал МАС «официально» признать в качестве карликовых планет тройку еще не принятых: Седну, Оркус и Квавар. [18] Хотя МАС предвидел рекомендации Танкреди, более десяти лет спустя МАС так и не ответил.
Майк Браун считает 130 транснептуновых тел «вероятно» карликовыми планетами и ранжирует их по предполагаемому размеру. [19] Он не рассматривает астероиды, заявляя, что «в поясе астероидов Церера диаметром 900 км является единственным объектом, достаточно большим, чтобы быть круглым». [19]
Условия для различных степеней вероятности он разделил на:
Помимо пяти, принятых МАС, в категорию «почти достоверных» входят Гонггонг , Квавар , Седна , Оркус , 2002 MS 4 и Салация . Обратите внимание: хотя сайт Брауна утверждает, что обновляется ежедневно, эти крупнейшие объекты не обновлялись с конца 2013 года, и действительно, текущие лучшие оценки диаметра Салации и MS 4 2002 года составляют менее 900 км. (Оркус находится на грани.) [20]
Гранди и др . предполагают, что темные TNO с низкой плотностью размером примерно400–1000 км являются переходными между более мелкими, пористыми (и, следовательно, низкой плотностью) телами и более крупными, плотными, яркими и геологически дифференцированными планетарными телами (такими как карликовые планеты). Тела этого размера должны были начать разрушать межузельные пространства, оставшиеся от их образования, но не полностью, оставляя некоторую остаточную пористость. [3]
Многие ТНО размером около400–1000 км имеют странно низкую плотность, в диапазоне около1,0–1,2 г/см 3 , что существенно меньше, чем у карликовых планет, таких как Плутон, Эрида и Церера, плотность которых близка к 2. Браун предположил, что крупные тела с низкой плотностью должны почти полностью состоять из водяного льда, поскольку он предполагал, что тела такого размера обязательно будут твердыми. Однако это оставляет необъяснимым, почему ТНО размером более 1000 км и меньше 400 км, а также кометы состоят из значительной части горных пород, и только этот диапазон размеров остается в основном ледяным. Эксперименты с водяным льдом при соответствующих давлениях и температурах позволяют предположить, что существенная пористость может оставаться в этом диапазоне размеров, и вполне возможно, что добавление камня в смесь еще больше повысит устойчивость к разрушению в твердое тело. Тела с внутренней пористостью, оставшейся от их образования, могли быть в лучшем случае лишь частично дифференцированы в своих глубоких недрах (если тело начало разрушаться в твердое тело, должны быть свидетельства в виде систем разломов с момента сжатия его поверхности). Более высокие альбедо более крупных тел также являются свидетельством полной дифференциации, поскольку такие тела предположительно вышли на поверхность со льдом из своих недр. Гранди и др . Поэтому [3] предполагают, что тела среднего размера (< 1000 км), низкой плотности (< 1,4 г/см 3 ) и низкого альбедо (< ~ 0,2) такие как Салация , Варда , Гокунухомдима и (55637) 2002 UX 25 не являются дифференцированными планетарными телами, такими как Оркус , Квавар и Харон . Граница между двумя популяциями, по-видимому, проходит в пределах примерно900–1000 км , хотя Grundy et al. также предлагаю, чтобы600–700 км могут представлять собой верхний предел сохранения значительной пористости. [3]
Если Гранди и др . [3] верны, то очень немногие известные тела во внешней Солнечной системе, вероятно, спрессовались в полностью твердые тела и, таким образом, возможно, стали карликовыми планетами в какой-то момент своего прошлого или все еще остаются карликовыми планетами в настоящее время. Плутон-Харон, Эрида, Хаумеа, Гонгонг, Макемаке, Квавар и Седна либо известны (Плутон), либо являются сильными кандидатами (остальные). Оркус снова пограничного размера, хотя и яркий.
Существует ряд более мелких тел, диаметр которых оценивается от 700 до 900 км, о большинстве из которых известно недостаточно, чтобы применять эти критерии. Все они темные, в основном с альбедо ниже 0,11, за исключением более яркого 2013 FY 27 (0,18); это говорит о том, что они не карликовые планеты. Однако Салация и Варда могут быть достаточно плотными, чтобы, по крайней мере, быть твердыми. Если бы Салация имела сферическую форму и имела бы такое же альбедо, как и ее спутник, ее плотность составляла бы от 1,4 до 1,6 г/см 3 , рассчитанная через несколько месяцев после первоначальной оценки Гранди и др., хотя альбедо все еще составляло бы всего 0,04. [21] Варда могла иметь более высокую плотность 1,78±0,06 г/см 3 (более низкая плотность 1,23±0,04 г/см 3 считалась возможной, хотя и менее вероятной), опубликованная через год после первоначальной оценки Гранди и др.; [22] его альбедо 0,10 близко к альбедо Квавара.
В 2023 году Эмери и др. написал, что спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона , проведенная космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) в 2022 году, предполагает, что Седна, Гонгонг и Квавар плавились, дифференцировались и химически эволюционировали, как и более крупные карликовые планеты Плутон, Эрида, Хаумеа и Макемаке, но в отличие от «все меньшие ОПК». Это связано с тем, что на их поверхности присутствуют легкие углеводороды (например, этан , ацетилен и этилен ), что означает, что метан постоянно пополняется, и что метан, вероятно, поступает из внутренней геохимии. С другой стороны, поверхности Седны, Гонгонга и Квавара имеют низкое содержание CO и CO 2 , подобно Плутону, Эриде и Макемаке, но в отличие от тел меньшего размера. Это говорит о том, что порог существования карликовых планет в транснептуновом регионе составляет около 1000 км в диаметре (таким образом, включая только Плутон, Эриду, Хаумеа, Макемаке, Седну, Гонгонг и Квавар), и что даже Оркус и Салация могут не быть карликовыми планетами. . [4]
По оценкам МАС, Танкреди и др., Брауна и Гранди и др. для шестнадцати крупнейших потенциальных карликовых планет (тех, чьи расчетные диаметры превышают 700 км) следующие. Для IAU критерии приемлемости были предназначены для наименования; В ежегодном отчете МАС за 2022–2023 годы Квавар был назван карликовой планетой. [23] Пресс-релиз МАС в форме вопросов и ответов от 2006 года был более конкретным: в нем подсчитано, что объекты с массой выше5 × 10 20 кг и диаметром более 800 км (800 км в поперечнике) «обычно» находились бы в гидростатическом равновесии («форма... обычно определялась бы самогравитацией»), но что «во всех пограничных случаях потребуется определить путем наблюдения». [24] Это близко к предложению Гранди и др. относительно приблизительного предела.
Некоторые из этих объектов еще не были обнаружены, когда Танкреди и др. сделали свой анализ. Единственный критерий Брауна — диаметр; он считает, что гораздо больше планет «весьма вероятно» являются карликовыми планетами, для которых его порог составляет 600 км (см. Ниже). Гранди и др. не определил, какие тела являются карликовыми планетами, а какие не могли ими быть. Красныйотмечает объекты, которые недостаточно плотны, чтобы быть твердыми телами; к этому добавляется вопросительный знак для объектов, плотность которых неизвестна (все они темные, что позволяет предположить, что они не являются карликовыми планетами). Эмери и др. предполагают, что Седна, Квавар и Гонгонг прошли внутреннее плавление, дифференциацию и химическую эволюцию, как и более крупные карликовые планеты, но все меньшие ОПК этого не сделали. [4] Вопрос текущего равновесия не рассматривался; тем не менее, его обычно не воспринимают всерьез, несмотря на то, что он присутствует в определении. (Меркурий имеет круглую форму, но известно, что он не находится в равновесии; [25] его повсеместно считают планетой в соответствии с намерениями МАС и геофизическими определениями, а не буквой.) [17]
Для сравнения включены два спутника: Тритон, сформировавшийся как TNO, а Харон крупнее некоторых кандидатов в карликовые планеты.
Следующие транснептуновые объекты имеют диаметр не менее 600 километров (370 миль) с точностью до погрешности измерений; По ранней оценке Брауна, это был порог, позволяющий считать ее «весьма вероятной» карликовой планетой . Гранди и др. предположил, что диаметр от 600 до 700 км может представлять собой «верхний предел для сохранения значительного внутреннего порового пространства», и что объекты диаметром около 900 км могли разрушиться изнутри, но не смогли полностью дифференцироваться. [3] Также были включены два спутника ТНО, которые превышают этот порог: спутник Плутона Харон и спутник Эриды Дисномия. Следующим по величине спутником TNO является спутник Оркуса Вант.442,5 ± 10,2 км и слабо ограниченная(87 ± 8) × 10 18 кг , с альбедо около 8%.
Для сравнения добавлена Церера, общепринятая как карликовая планета. Также для сравнения добавлен Тритон, который, как полагают, был карликовой планетой в поясе Койпера до того, как его захватил Нептун.
Тела с очень плохо известными размерами (например , 2018 VG 18 «Farout») были исключены. Ситуация для малоизвестных тел усложняется тем, что тело, считающееся одним большим объектом, может оказаться бинарной или тройной системой более мелких объектов, таких как 2013 FY 27 или Lempo . Затмение 2004 XR 190 («Баффи») в 2021 году обнаружило хорду длиной 560 км: если тело имеет приблизительно сферическую форму, вполне вероятно, что диаметр превышает 560 км, но если оно вытянутое, средний диаметр вполне может быть меньше. Пояснения и источники измеренных масс и диаметров можно найти в соответствующих статьях, ссылки на которые приведены в столбце «Обозначение» таблицы.
Все эти категории могут быть изменены при наличии дополнительных доказательств.
Для объектов, не имеющих измеренного размера или массы, размеры можно оценить только исходя из предположения об альбедо. Большинство субкарликовых объектов считаются темными, потому что они не всплыли на поверхность; это означает, что они также относительно велики для своих размеров. Ниже приведена таблица предполагаемых альбедо от 4% (альбедо Салации) до 20% (значение выше, которое предполагает повторное всплытие), а также размеры объектов с этими альбедо, которые должны быть (если они круглые), чтобы получить наблюдаемую абсолютную величину. Фон синий для >900 км и бирюзовый для >600 км.
Сегодня мы знаем о более чем дюжине карликовых планет в Солнечной системе, [и] предполагается, что окончательное количество карликовых планет, которые мы обнаружим в поясе Койпера и за его пределами, может превысить 10 000.