Плутон ( обозначение малой планеты : 134340 Плутон ) — карликовая планета в поясе Койпера , кольце тел за орбитой Нептуна . Это девятый по величине и десятый по массе известный объект, вращающийся непосредственно вокруг Солнца . Это самый крупный из известных транснептуновых объектов по объему, с небольшим отрывом, но он менее массивен, чем Эрида . Как и другие объекты пояса Койпера, Плутон состоит в основном из льда и камня и намного меньше внутренних планет . Плутон имеет лишь одну шестую массы земной Луны и одну треть ее объема.
Плутон имеет умеренно эксцентричную и наклонную орбиту, находящуюся в пределах от 30 до 49 астрономических единиц (от 4,5 до 7,3 миллиардов километров ; от 2,8 до 4,6 миллиардов миль ) от Солнца. Свету Солнца требуется 5,5 часов, чтобы достичь Плутона на его орбитальном расстоянии 39,5 а.е. (5,91 миллиарда км; 3,67 миллиарда миль). Эксцентричная орбита Плутона периодически приближает его к Солнцу, чем Нептун , но устойчивый орбитальный резонанс не позволяет им столкнуться.
У Плутона есть пять известных спутников : Харон , самый большой, диаметр которого чуть более половины диаметра Плутона; Стикс ; Никс ; Керберос ; и Гидра . Плутон и Харон иногда считают двойной системой , потому что барицентр их орбит не находится внутри ни одного из тел, и они приливно заблокированы. Миссия «Новые горизонты» стала первым космическим кораблем, посетившим Плутон и его спутники: он пролетел мимо него 14 июля 2015 года и провел детальные измерения и наблюдения.
Плутон был открыт в 1930 году Клайдом Томбо , что сделало его первым известным объектом в поясе Койпера. Ее сразу же провозгласили девятой планетой , но она всегда была лишним объектом [14] : 27 , и ее планетарный статус был поставлен под сомнение, когда выяснилось, что она намного меньше, чем ожидалось. Эти сомнения усилились после открытия дополнительных объектов в поясе Койпера, начиная с 1990-х годов, и особенно более массивного объекта рассеянного диска Эриды в 2005 году. В 2006 году Международный астрономический союз (МАС) официально изменил определение термина « планета» , исключив карликовые планеты, такие как как Плутон. Однако многие планетарные астрономы продолжают считать Плутон и другие карликовые планеты планетами.
В 1840-х годах Урбен Леверье использовал механику Ньютона для предсказания положения тогда еще не открытой планеты Нептун после анализа возмущений на орбите Урана . Последующие наблюдения Нептуна в конце 19 века заставили астрономов предположить, что орбита Урана была нарушена другой планетой, помимо Нептуна. [15]
В 1906 году Персиваль Лоуэлл — богатый бостонец, основавший в 1894 году обсерваторию Лоуэлла во Флагстаффе, штат Аризона , — начал обширный проект по поиску возможной девятой планеты, которую он назвал « Планетой X ». [16] К 1909 году Лоуэлл и Уильям Х. Пикеринг предложили несколько возможных небесных координат такой планеты. [17] Лоуэлл и его обсерватория проводили поиски, используя математические расчеты, сделанные Элизабет Уильямс , до его смерти в 1916 году, но безрезультатно. Лоуэлл не знал, что его исследования сделали два слабых изображения Плутона 19 марта и 7 апреля 1915 года, но они не были распознаны такими, какие они были. [17] [18] Известно еще четырнадцать предварительных наблюдений, самое раннее из которых было сделано обсерваторией Йеркса 20 августа 1909 года. [19]
Вдова Персиваля, Констанс Лоуэлл, вступила в десятилетнюю судебную тяжбу с Обсерваторией Лоуэлла по поводу наследия ее мужа, и поиск Планеты X не возобновился до 1929 года. [20] Весто Мелвин Слайфер , директор обсерватории, поручил работу обнаружение Планеты X 23-летним Клайдом Томбо , который только что прибыл в обсерваторию после того, как Слайфер был впечатлен образцом его астрономических рисунков. [20]
Задача Томбо заключалась в том, чтобы систематически отображать ночное небо на парах фотографий, затем исследовать каждую пару и определять, не сместились ли какие-либо объекты. Используя мигающий компаратор , он быстро переключался между видами каждой из пластинок, чтобы создать иллюзию движения любых объектов, которые меняли положение или внешний вид между фотографиями. 18 февраля 1930 года, после почти года поисков, Томбо обнаружил возможный движущийся объект на фотопластинках, сделанных 23 и 29 января. Подтвердить движение помогла фотография менее высокого качества, сделанная 21 января. [21] После того, как обсерватория получила дополнительные подтверждающие фотографии, новость об открытии была телеграфирована в обсерваторию Гарвардского колледжа 13 марта 1930 года. [17]
Поскольку один плутонийский год соответствует 247,94 земным годам, [3] в 2178 году Плутон завершит свою первую орбиту с момента своего открытия.
Имя Плутон произошло от римского бога подземного мира ; и это также эпитет Аида (греческого эквивалента Плутона).
После объявления об открытии обсерватория Лоуэлла получила более тысячи предложений по названию. [22] Три имени возглавили список: Минерва , Плутон и Кронос . «Минерва» была первым выбором сотрудников Лоуэлла [23] , но была отклонена, поскольку она уже использовалась для астероида ; Кронос пользовался немилостью, потому что его продвигал непопулярный и эгоцентричный астроном Томас Джефферсон Джексон Си . Затем было проведено голосование, и единогласным выбором был выбран «Плутон». Чтобы имя прижилось и что название планеты не претерпело изменений, как это произошло с Ураном, обсерватория Лоуэлла предложила это название Американскому астрономическому обществу и Королевскому астрономическому обществу ; оба одобрили это единогласно. [14] : 136 [24] Название опубликовано 1 мая 1930 года. [25] [26]
Имя «Плутон» получило около 150 номинаций среди писем и телеграмм, отправленных Лоуэллу. Первое [h] было от Венеции Бёрни (1918–2009), одиннадцатилетней школьницы из Оксфорда , Англия, которая интересовалась классической мифологией . [14] [25] Она предложила это своему деду Фальконеру Мадану , когда он прочитал новость об открытии Плутона своей семье за завтраком; Мадан передал это предложение профессору астрономии Герберту Холлу Тернеру , который телеграфировал его коллегам из Лоуэлла 16 марта, через три дня после объявления. [23] [25]
Имя «Плутон» было мифологически подходящим: бог Плутон был одним из шести выживших детей Сатурна , а все остальные уже были выбраны в качестве названий больших или малых планет (его братья Юпитер и Нептун , а также его сестры Церера , Юнона и Веста ). И бог, и планета населяли «мрачные» регионы, и бог умел делать себя невидимым, как это делала планета в течение долгого времени. [28] Выбору также способствовал тот факт, что первые две буквы Плутона были инициалами Персиваля Лоуэлла; действительно, «Персиваль» было одним из наиболее популярных предложений по названию новой планеты. [23] [29] Символ планеты Плутона ⟨⟩ затем был создан как монограмма из букв «PL». [30] Этот символ больше редко используется в астрономии, [i] хотя он все еще распространен в астрологии. Однако наиболее распространенным астрологическим символом Плутона, который иногда используется и в астрономии, является шар (возможно, представляющий шапку-невидимку Плутона) над двузубцем Плутона ⟨⟩ , датируемый началом 1930-х годов. [34] [й]
Имя «Плутон» вскоре было принято более широкой культурой. В 1930 году Уолт Дисней , очевидно, был вдохновлен этим именем, когда представил Микки Маусу собаку-компаньона по имени Плутон , хотя аниматор Диснея Бен Шарпстин не смог подтвердить, почему было дано это имя. [38] В 1941 году Гленн Т. Сиборг назвал вновь созданный элемент плутоний в честь Плутона, в соответствии с традицией называть элементы в честь недавно открытых планет, после урана , который был назван в честь Урана, и нептуния , который был назван в честь Нептуна. [39]
В большинстве языков имя «Плутон» используется в различных транслитерациях. [k] На японском языке Хоуэй Нодзири предложил кальку Мэйосэй (冥王星, «Звезда короля (бога) подземного мира») , и она была заимствована в китайском и корейском языках. В некоторых языках Индии используется имя Плутон, но в других, таких как хинди , используется имя Ямы , Бога Смерти в индуизме. [40] Полинезийские языки также склонны использовать местного бога подземного мира, как в языке маори Виро . [40] Можно было бы ожидать, что вьетнамцы последуют китайскому языку, но это не так, потому что китайско-вьетнамское слово 冥minh «темный» гомофонно с 明minh «яркий». Вместо этого во вьетнамском языке используется Яма, которая также является буддийским божеством, в форме Сао Дьем Вонг星閻王 «Звезда Ямы», происходящего от китайского 閻王Ян Ван / Йим Вонг «Король Яма». [40] [41] [42]
Как только Плутон был найден, его бледность и отсутствие видимого диска поставили под сомнение идею о том, что это Планета X Лоуэлла . [16] Оценки массы Плутона пересматривались в сторону понижения на протяжении всего 20-го века. [43]
Астрономы первоначально рассчитали его массу, основываясь на предполагаемом влиянии на Нептун и Уран. В 1931 году было подсчитано, что масса Плутона примерно равна массе Земли , а дальнейшие расчеты в 1948 году снизили массу примерно до массы Марса . [45] [47] В 1976 году Дейл Крукшанк, Карл Пилчер и Дэвид Моррисон из Гавайского университета впервые рассчитали альбедо Плутона и обнаружили, что оно соответствует альбедо метанового льда; это означало, что Плутон должен был быть исключительно ярким для своего размера и, следовательно, не мог иметь массу более 1 процента от массы Земли. [48] (Альбедо Плутона в 1,4–1,9 раза больше, чем у Земли. [3] )
В 1978 году открытие спутника Плутона Харона позволило впервые измерить массу Плутона: примерно 0,2% от массы Земли, и она слишком мала, чтобы объяснить несоответствия на орбите Урана. Последующие поиски альтернативной Планеты X, в частности, Робертом Саттоном Харрингтоном , [51] не увенчались успехом. В 1992 году Майлс Стэндиш использовал данные облета Нептуна «Вояджером-2 » в 1989 году, которые пересмотрели оценки массы Нептуна в сторону понижения на 0,5% — величину, сравнимую с массой Марса — для перерасчета его гравитационного воздействия на Уран. С добавлением новых цифр расхождения, а вместе с ними и необходимость в Планете X, исчезли. [52] По состоянию на 2000 год [обновлять]большинство учёных согласны с тем, что Планета X, как её определил Лоуэлл, не существует. [53] Лоуэлл сделал предсказание орбиты и положения Планеты X в 1915 году, которое было довольно близко к фактической орбите Плутона и его положению в то время; Эрнест В. Браун вскоре после открытия Плутона пришел к выводу, что это было совпадение. [54]
Начиная с 1992 года, было обнаружено множество тел, вращающихся в том же объеме, что и Плутон, что показывает, что Плутон является частью популяции объектов, называемых поясом Койпера . Это сделало его официальный статус планеты спорным, и многие задавались вопросом, следует ли рассматривать Плутон вместе с окружающим его населением или отдельно от него. Директора музеев и планетариев время от времени вызывали споры, исключая Плутон из планетарных моделей Солнечной системы . В феврале 2000 года в планетарии Хейдена в Нью-Йорке была представлена модель Солнечной системы, состоящая всего из восьми планет, которая почти год спустя попала в заголовки газет. [55]
Церера , Паллада , Юнона и Веста утратили статус планет после открытия многих других астероидов . Аналогичным образом, в районе пояса Койпера были обнаружены объекты, все более приближающиеся по размеру к Плутону. 29 июля 2005 года астрономы Калифорнийского технологического института объявили об открытии нового транснептунового объекта , Эриды , который был существенно более массивным, чем Плутон, и самого массивного объекта, открытого в Солнечной системе со времен Тритона в 1846 году. Первоначально его первооткрыватели и пресса назвал ее десятой планетой , хотя официального консенсуса о том, следует ли называть ее планетой, в то время не было. [56] Другие представители астрономического сообщества сочли это открытие сильнейшим аргументом в пользу реклассификации Плутона как малой планеты. [57]
Дебаты достигли апогея в августе 2006 года, когда МАС принял резолюцию , в которой было дано официальное определение термина «планета». Согласно этой резолюции, существует три условия, при которых объект в Солнечной системе можно считать планетой:
Плутон не соответствует третьему условию. [60] Ее масса существенно меньше общей массы других объектов на ее орбите: в 0,07 раза, в отличие от Земли, которая в 1,7 миллиона раз превышает оставшуюся массу на ее орбите (исключая Луну). [61] [59] МАС далее решил, что тела, которые, как Плутон, соответствуют критериям 1 и 2, но не соответствуют критерию 3, будут называться карликовыми планетами . В сентябре 2006 года МАС включил Плутон, Эриду и ее спутник Дисномию в свой Каталог малых планет , дав им официальные обозначения малых планет «(134340) Плутон», «(136199) Эрида» и «(136199) Эрида». У меня дисномия». [62] Если бы Плутон был включен в список после его открытия в 1930 году, он, вероятно, получил бы обозначение 1164, после 1163 Saga , которое было обнаружено месяцем ранее. [63]
В астрономическом сообществе возникло некоторое сопротивление реклассификации. [64] [65] [66] Алан Стерн , главный исследователь миссии НАСА « Новые горизонты» к Плутону, высмеял резолюцию МАС. [67] [68] Он также заявил, что, поскольку за него проголосовало менее пяти процентов астрономов, это решение не было репрезентативным для всего астрономического сообщества. [68] Марк В. Бьюи , работавший тогда в обсерватории Лоуэлла, подал прошение против этого определения. [69] Другие поддержали МАС, например Майк Браун , астроном, открывший Эриду. [70]
Общественность восприняла решение МАС неоднозначно. В резолюции, представленной Ассамблее штата Калифорния, решение МАС в шутку названо «научной ересью». [71] Палата представителей штата Нью-Мексико приняла резолюцию в честь Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона и давнего жителя этого штата, в которой говорилось, что Плутон всегда будет считаться планетой, пока он находится в небе Нью-Мексико, и что 13 марта В 2007 году был День планеты Плутон. [72] [73] Сенат Иллинойса принял аналогичную резолюцию в 2009 году на том основании, что Томбо родился в Иллинойсе. В резолюции утверждалось, что МАС « несправедливо понизил статус Плутона до «карликовой» планеты». , утверждая, что они всегда знали Плутон как планету и будут продолжать делать это независимо от решения МАС . слово года. «Плутон» означает «понижать или обесценивать кого-то или что-то» [76] .
Исследователи обеих сторон дебатов собрались в августе 2008 года в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса на конференцию, которая включала последовательные переговоры по определению планеты, данному МАС. [77] Под названием «Великие дебаты о планете» [78] конференция опубликовала пресс-релиз после конференции, в котором указывалось, что ученые не смогли прийти к консенсусу относительно определения планеты. [79] В июне 2008 года МАС объявил в пресс-релизе, что термин « плутоид » отныне будет использоваться для обозначения Плутона и других объектов планетарной массы, у которых большая полуось орбиты больше, чем у Нептуна, хотя этот термин не нашел значительного применения. [80] [81] [82]
Орбитальный период Плутона составляет около 248 лет. Его орбитальные характеристики существенно отличаются от характеристик планет, которые вращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам, близким к плоской плоскости отсчета , называемой эклиптикой . Напротив, орбита Плутона умеренно наклонена относительно эклиптики (более 17°) и умеренно эксцентрична (эллиптическая). Этот эксцентриситет означает, что небольшая область орбиты Плутона находится ближе к Солнцу, чем орбита Нептуна. Барицентр Плутона-Харона подошел к перигелию 5 сентября 1989 г. [4] [l] и в последний раз находился ближе к Солнцу, чем Нептун, в период с 7 февраля 1979 г. по 11 февраля 1999 г. [83]
Хотя резонанс 3:2 с Нептуном (см. ниже) сохраняется, наклон и эксцентриситет Плутона ведут себя хаотично . Компьютерное моделирование можно использовать для предсказания его положения на несколько миллионов лет (как вперед, так и назад во времени), но после интервалов, намного превышающих время Ляпунова в 10–20 миллионов лет, расчеты становятся ненадежными: Плутон чувствителен к неизмеримо мелким деталям Солнечная система, труднопрогнозируемые факторы, которые постепенно изменят положение Плутона на его орбите. [84] [85]
Большая полуось орбиты Плутона колеблется от 39,3 до 39,6 а.е. с периодом около 19 951 года, что соответствует периоду обращения от 246 до 249 лет. Большая полуось и период в настоящее время становятся длиннее. [86]
Несмотря на то, что орбита Плутона кажется пересекающей орбиту Нептуна, если смотреть прямо сверху, орбиты двух объектов не пересекаются. Когда Плутон находится ближе всего к Солнцу и близко к орбите Нептуна, если смотреть сверху, он также находится дальше всего от пути Нептуна. Орбита Плутона проходит примерно на 8 а.е. выше орбиты Нептуна, предотвращая столкновение. [87] [88] [89] [м]
Одного этого недостаточно, чтобы защитить Плутон; возмущения со стороны планет (особенно Нептуна) могут изменить орбиту Плутона (например, его орбитальную прецессию ) в течение миллионов лет, так что может произойти столкновение. Однако Плутон также защищен орбитальным резонансом 2:3 с Нептуном : на каждые две орбиты, которые Плутон совершает вокруг Солнца, Нептун совершает три в системе отсчета, которая вращается со скоростью прецессии перигелия Плутона (около0,97 × 10-4 градуса в год [86] ). Каждый цикл длится около 495 лет. (Есть много других объектов в этом же резонансе, называемых плутино .) В настоящее время в каждом 495-летнем цикле, когда Плутон впервые оказывается в перигелии (например, в 1989 году), Нептун опережает Плутон на 57°. Ко второму прохождению Плутона через перигелий Нептун завершит еще полторы своей орбиты и окажется на 123° позади Плутона. [91] Минимальное расстояние между Плутоном и Нептуном составляет более 17 а.е., что больше, чем минимальное расстояние между Плутоном и Ураном (11 а.е.). [89] Минимальное расстояние между Плутоном и Нептуном фактически происходит во время афелия Плутона. [86]
Резонанс 2:3 между двумя телами очень стабилен и сохраняется на протяжении миллионов лет. [92] Это предотвращает изменение их орбит относительно друг друга, поэтому два тела никогда не смогут пройти рядом друг с другом. Даже если бы орбита Плутона не была наклонена, эти два тела никогда бы не столкнулись. [89] Когда период Плутона немного отличается от периода Нептуна на 3/2, характер его расстояния от Нептуна будет меняться. Вблизи перигелия Плутон движется внутрь орбиты Нептуна и поэтому движется быстрее, поэтому во время первой из двух орбит 495-летнего цикла он приближается к Нептуну сзади. В настоящее время он остается на расстоянии от 50° до 65° позади Нептуна в течение 100 лет (например, 1937-2036 гг.). [91] Гравитационное притяжение между ними вызывает передачу углового момента Плутону. Эта ситуация перемещает Плутон на немного большую орбиту, где, согласно третьему закону Кеплера , он имеет немного больший период . После нескольких таких повторений Плутон настолько задерживается, что во втором перигелии каждого цикла он будет недалеко опережать идущий за ним Нептун, и Нептун снова начнет уменьшать период Плутона. Весь цикл занимает около 20 000 лет. [89] [92] [93]
Численные исследования показали, что за миллионы лет общий характер выравнивания орбит Плутона и Нептуна не меняется. [87] [86] Есть несколько других резонансов и взаимодействий, которые повышают стабильность Плутона. Они возникают главным образом из-за двух дополнительных механизмов (помимо резонанса среднего движения 2:3).
Во-первых, аргумент Плутона о перигелии , угле между точкой, где он пересекает эклиптику (или инвариантную плоскость ) и точкой, где он находится ближе всего к Солнцу, либрирует около 90°. [86] Это означает, что когда Плутон находится ближе всего к Солнцу, он находится дальше всего над плоскостью Солнечной системы, что предотвращает встречи с Нептуном. Это следствие механизма Козаи [87] , который связывает эксцентриситет орбиты с ее наклоном к более крупному возмущающему телу — в данном случае Нептуну. Относительно Нептуна амплитуда либрации составляет 38°, поэтому угловое расстояние перигелия Плутона от орбиты Нептуна всегда больше 52° (90–38°) . Ближайшее такое угловое разделение происходит каждые 10 000 лет. [92]
Во-вторых, долготы восходящих узлов двух тел — точек, где они пересекают инвариантную плоскость — почти резонансны с указанной выше либрацией. Когда две долготы одинаковы, то есть когда можно провести прямую линию через оба узла и Солнце, перигелий Плутона лежит точно на 90 °, и, следовательно, он приближается к Солнцу ближе всего, когда он находится выше орбиты Нептуна. Это известно как суперрезонанс 1:1 . Все планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) играют роль в создании сверхрезонанса. [87]
Период вращения Плутона , его сутки, равен 6,387 земным суткам. [3] [94] Подобно Урану и 2 Палладе , Плутон вращается на «боке» в своей орбитальной плоскости с осевым наклоном 120°, и поэтому его сезонные колебания экстремальны; во время солнцестояний четверть его поверхности находится в постоянном дневном свете, тогда как еще четверть находится в постоянной темноте. [95] Причина такой необычной ориентации обсуждается. Исследования Университета Аризоны предположили, что это может быть связано с тем, что вращение тела всегда корректируется, чтобы минимизировать энергию. Это может означать, что тело переориентируется, чтобы разместить постороннюю массу вблизи экватора, а области, лишенные массы, стремятся к полюсам. Это называется полярным блужданием . [96] Согласно статье, опубликованной Университетом Аризоны, это могло быть вызвано массами замороженного азота, скопившимися в затененных областях карликовой планеты. Эти массы заставят тело переориентироваться, что приведет к необычному осевому наклону на 120°. Накопление азота происходит из-за огромного расстояния Плутона от Солнца. На экваторе температура может упасть до -240 ° C (-400,0 ° F; 33,1 К), что приведет к замерзанию азота, поскольку вода замерзла бы на Земле. Тот же эффект блуждания полюсов, наблюдаемый на Плутоне, наблюдался бы и на Земле, если бы ледниковый покров Антарктики был в несколько раз больше. [97]
Равнины на поверхности Плутона более чем на 98 процентов состоят из азотного льда со следами метана и угарного газа . [98] Азот и угарный газ наиболее распространены на анти-Хароновой стороне Плутона (около 180° долготы, где расположена западная доля региона Томбо , Sputnik Planitia ), тогда как метан наиболее распространен вблизи 300° восточной долготы. [99] Горы состоят из водяного льда. [100] Поверхность Плутона весьма разнообразна, с большими различиями как в яркости, так и в цвете. [101] Плутон — одно из самых контрастных тел в Солнечной системе, его контрастность такая же, как у спутника Сатурна Япета . [102] Цвет варьируется от угольно-черного до темно-оранжевого и белого. [103] Цвет Плутона больше похож на цвет Ио , но в нем немного больше оранжевого и значительно меньше красного, чем у Марса . [104] Известные географические объекты включают Томбо Регио, или «Сердце» (большая яркая область на стороне, противоположной Харону), Макула Ктулху , [6] или «Кит» (большая темная область на заднем полушарии) и « Кастет » (серия экваториальных темных областей в ведущем полушарии).
Sputnik Planitia, западная доля «Сердца», представляет собой бассейн замороженных азотных и угарных льдов шириной 1000 км, разделенный на полигональные ячейки, которые интерпретируются как конвекционные ячейки , переносящие плавающие глыбы водной ледяной корки и сублимационные ямы в сторону их маржа; [105] [106] [107] имеются очевидные признаки ледниковых потоков как в бассейн, так и из него. [108] [109] На нем нет кратеров, которые были видны «Новым горизонтам» , что указывает на то, что возраст его поверхности менее 10 миллионов лет. [110] Последние исследования показали, что возраст поверхности составляет180 000+90 000
−40 000годы. [111]
Научная группа New Horizons резюмировала первоначальные результаты: «Плутон демонстрирует удивительно широкое разнообразие геологических форм рельефа, в том числе возникающих в результате гляциологических и взаимодействий поверхности и атмосферы, а также ударных, тектонических , возможных криовулканических процессов и процессов истощения массы ». [7]
В западных частях Равнины Спутника расположены поля поперечных дюн , образованных ветрами, дующими из центра Равнины Спутника в направлении окружающих гор. Длины волн дюн находятся в диапазоне 0,4–1 км и, вероятно, состоят из частиц метана размером 200–300 мкм. [112]
Плотность Плутона равна1,860 ± 0,013 г/см 3 . [7] Поскольку распад радиоактивных элементов в конечном итоге нагрел льды настолько, что порода могла отделиться от них, ученые ожидают, что внутренняя структура Плутона дифференцирована: каменистый материал образовал плотное ядро , окруженное мантией из водяного льда. Оценка диаметра ядра до запуска New Horizons равна1700 км , 70% диаметра Плутона. [114] У Плутона нет магнитного поля. [115]
Возможно, такой нагрев продолжается, создавая на границе ядра и мантии подземный океан жидкой воды толщиной от 100 до 180 км . [114] [116] [117] В сентябре 2016 года ученые из Университета Брауна смоделировали удар, предположительно образовавший Sputnik Planitia , и показали, что это могло быть результатом подъема жидкой воды снизу после столкновения, подразумевая существование подземный океан глубиной не менее 100 км. [118] В июне 2020 года астрономы сообщили о доказательствах того, что на Плутоне, возможно, был подповерхностный океан и, следовательно, он мог быть обитаемым , когда он впервые сформировался. [119] [120] В марте 2022 года они пришли к выводу, что пики Плутона на самом деле представляют собой слияние «ледяных вулканов», что предполагает наличие источника тепла на теле на уровнях, которые ранее считались невозможными. [121]
Диаметр Плутона составляет2 376,6 ± 3,2 км [5], а его масса равна(1,303 ± 0,003) × 10 22 кг , 17,7% от Луны (0,22% от Земли). [122] Площадь его поверхности равна1,774 443 × 10 7 км 2 , или чуть больше, чем Россия или Антарктида . Его поверхностная сила тяжести составляет 0,063 г (по сравнению с 1 г у Земли и 0,17 г у Луны). [3] Это дает Плутону скорость убегания 4363,2 км в час / 2711,167 миль в час (по сравнению с земной скоростью 40 270 км в час / 25 020 миль в час).
Открытие спутника Плутона Харона в 1978 году позволило определить массу системы Плутон-Харон, применив формулировку Ньютона третьего закона Кеплера . Наблюдения за Плутоном, затменным Хароном, позволили ученым более точно установить диаметр Плутона, тогда как изобретение адаптивной оптики позволило им более точно определить его форму. [123]
Имея массу менее 0,2 лунной, Плутон гораздо менее массивен, чем планеты земной группы , а также менее массивен, чем семь лун : Ганимед , Титан , Каллисто , Ио , Луна , Европа и Тритон. Масса намного меньше, чем считалось до открытия Харона. [124]
Плутон более чем в два раза больше в диаметре и в десятки раз тяжелее Цереры , крупнейшего объекта в поясе астероидов . Он менее массивен, чем карликовая планета Эрида , транснептуновский объект, открытый в 2005 году, хотя диаметр Плутона больше — 2376,6 км [5] по сравнению с приблизительным диаметром Эриды, равным 2326 км. [125]
Определение размера Плутона осложняется его атмосферой [126] и углеводородной дымкой. [127] В марте 2014 г. Леллуш, де Берг и др. опубликованные результаты относительно соотношений смешивания метана в атмосфере Плутона соответствуют диаметру Плутона более 2360 км с «наилучшим предположением» 2368 км. [128] 13 июля 2015 года изображения, полученные с помощью телескопа Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) миссии НАСА « Новые горизонты» , наряду с данными других инструментов, определили, что диаметр Плутона составляет 2370 км (1470 миль), [125] [129] что позже была изменена на 2372 км (1474 миль) 24 июля [130] , а позже на2374 ± 8 км . [7] Используя данные радиозатмения , полученные в ходе радионаучного эксперимента «Новые горизонты» (REX), диаметр оказался равным2 376,6 ± 3,2 км . [5]
Плутон имеет разреженную атмосферу , состоящую из азота (N 2 ), метана (CH 4 ) и окиси углерода (CO), которые находятся в равновесии со своими льдами на поверхности Плутона. [131] [132] Согласно измерениям New Horizons , давление на поверхности составляет около 1 Па (10 мкбар ), [7] примерно от миллиона до 100 000 раз меньше атмосферного давления Земли. Первоначально считалось, что по мере удаления Плутона от Солнца его атмосфера должна постепенно замерзать на поверхности; исследования данных «Новых горизонтов» и наземных затмений показывают, что плотность атмосферы Плутона увеличивается и, вероятно, остается газообразной на всей орбите Плутона. [133] [134] Наблюдения New Horizons показали, что выбросы азота в атмосферу в 10 000 раз меньше, чем ожидалось. [134] Алан Стерн утверждал, что даже небольшое увеличение температуры поверхности Плутона может привести к экспоненциальному увеличению плотности атмосферы Плутона; от 18 гПа до целых 280 гПа (в три раза больше, чем на Марсе, и в четверть больше, чем на Земле). При таких плотностях азот мог бы течь по поверхности в жидком виде. [134] Точно так же, как пот охлаждает тело, испаряясь с кожи, сублимация атмосферы Плутона охлаждает его поверхность. [135] У Плутона нет или почти нет тропосферы ; Наблюдения New Horizons предполагают лишь тонкий пограничный слой тропосферы . Его толщина в месте измерения составляла 4 км, температура 37±3 К. Слой несплошной. [136]
В июле 2019 года затмение Плутона показало, что его атмосферное давление, вопреки ожиданиям, упало на 20% с 2016 года. [137] В 2021 году астрономы Юго-Западного исследовательского института подтвердили результат, используя данные о затмении 2018 года, которое показало этот свет появлялся из-за диска Плутона менее постепенно, что указывает на истончение атмосферы. [138]
Присутствие метана, мощного парникового газа , в атмосфере Плутона создает температурную инверсию , при этом средняя температура его атмосферы на десятки градусов выше, чем его поверхность, [139] хотя наблюдения New Horizons показали, что верхние слои атмосферы Плутона намного холоднее. чем ожидалось (70 К, а не около 100 К). [134] Атмосфера Плутона разделена примерно на 20 равномерно расположенных слоев дымки высотой до 150 км. [7] Считается, что это результат волн давления, создаваемых воздушным потоком через горы Плутона. [134]
Плутон имеет пять известных естественных спутников . Ближайшим к Плутону является Харон . Харон , впервые обнаруженный в 1978 году астрономом Джеймсом Кристи , является единственным спутником Плутона, который может находиться в гидростатическом равновесии . Масса Харона достаточна, чтобы барицентр системы Плутон-Харон оказался за пределами Плутона. За Хароном есть четыре круговых спутника гораздо меньших размеров. В порядке удаления от Плутона это Стикс, Никс, Кербер и Гидра. Никс и Гидра были открыты в 2005 году, [140] Кербер был открыт в 2011 году, [141] и Стикс был открыт в 2012 году. [142] Орбиты спутников круговые (эксцентриситет < 0,006) и копланарные с экватором Плутона (наклонение < 1°), [143] [144] и поэтому наклонена примерно на 120° относительно орбиты Плутона. Система Плутона очень компактна: пять известных спутников вращаются внутри внутренних 3% области, где прямые орбиты были бы стабильными. [145]
Орбитальные периоды всех спутников Плутона связаны в систему орбитальных и околорезонансных резонансов . [144] [146] Если принять во внимание прецессию , орбитальные периоды Стикса, Никса и Гидры находятся в точном соотношении 18:22:33. [144] Существует последовательность приблизительных соотношений 3:4:5:6 между периодами Стикса, Никса, Кербера и Гидры и периодами Харона; соотношения становятся ближе к точным, чем дальше находятся луны. [144] [147]
Система Плутон-Харон — одна из немногих в Солнечной системе, барицентр которой находится вне основного тела; система Патрокла -Меноэтия является меньшим примером, а система Солнце-Юпитер - единственной более крупной. [148] Сходство размеров Харона и Плутона побудило некоторых астрономов назвать его двойной карликовой планетой . [149] Эта система также необычна среди планетных систем тем, что каждая из них приливно привязана к другой, что означает, что Плутон и Харон всегда имеют одно и то же полушарие, обращенное друг к другу — свойство, присущее только одной другой известной системе, Эриде и Дисномии . [150] Из любого положения любого тела другое всегда находится в том же положении на небе или всегда скрыто. [151] Это также означает, что период вращения каждого из них равен времени, которое требуется всей системе для вращения вокруг своего барицентра. [94]
В 2007 году наблюдения обсерватории Джемини за пятнами гидратов аммиака и кристаллов воды на поверхности Харона позволили предположить наличие активных криогейзеров. [152]
Предполагается, что спутники Плутона образовались в результате столкновения Плутона с телом аналогичного размера в начале истории Солнечной системы. Столкновение высвободило материал, который консолидировался в спутники вокруг Плутона. [153]
В 2012 году было подсчитано, что 15810 Араун может быть квазиспутником Плутона, особым типом коорбитальной конфигурации. [154] Согласно расчетам, объект будет квазиспутником Плутона примерно 350 000 лет из каждого двухмиллионнолетнего периода. [154] [155] Измерения, проведенные космическим кораблем «Новые горизонты» в 2015 году, позволили более точно рассчитать орбиту Арауна, [156] и подтвердили ранее сделанные. [157] Однако среди астрономов нет единого мнения, следует ли классифицировать Араун как квазиспутник Плутона на основании его орбитальной динамики, поскольку его орбита в основном контролируется Нептуном с лишь случайными возмущениями со стороны Плутона. [158] [156] [157]
Происхождение и личность Плутона долгое время озадачивали астрономов. Одна из ранних гипотез заключалась в том, что Плутон был сбежавшим спутником Нептуна [159], сбитым с орбиты крупнейшим спутником Нептуна, Тритоном. Эта идея была в конечном итоге отвергнута после того, как динамические исследования показали ее невозможность, поскольку Плутон никогда не приближается к Нептуну на своей орбите. [160]
Истинное место Плутона в Солнечной системе начало раскрываться только в 1992 году, когда астрономы начали находить за пределами Нептуна небольшие ледяные объекты, похожие на Плутон не только по орбите, но и по размерам и составу. Считается, что эта транснептуновая популяция является источником многих короткопериодических комет . Плутон — крупнейший член пояса Койпера , [n] стабильного пояса объектов, расположенных на расстоянии от 30 до 50 а.е. от Солнца. По состоянию на 2011 год исследования пояса Койпера до магнитуды 21 были почти завершены, и ожидается, что все оставшиеся объекты размером с Плутон будут находиться на расстоянии более 100 а.е. от Солнца. [161] Как и другие объекты пояса Койпера (KBO), Плутон имеет общие черты с кометами ; например, солнечный ветер постепенно уносит поверхность Плутона в космос. [162] Утверждалось, что если бы Плутон поместили так же близко к Солнцу, как Земля, у него образовался бы хвост, как у комет. [163] Это утверждение оспаривается аргументом, что скорость убегания Плутона слишком высока, чтобы это могло произойти. [164] Было высказано предположение, что Плутон мог образоваться в результате скопления многочисленных комет и объектов пояса Койпера. [165] [166]
Хотя Плутон является крупнейшим обнаруженным объектом пояса Койпера, [127] спутник Нептуна Тритон , который больше Плутона, похож на него как геологически, так и атмосферно, и считается захваченным объектом пояса Койпера. [167] Эрида (см. выше) примерно такого же размера, как Плутон (хотя и более массивная), но строго не считается частью населения пояса Койпера. Скорее, его считают членом связанной популяции, называемой рассеянным диском . [168]
Многие объекты пояса Койпера, такие как Плутон, находятся в орбитальном резонансе 2:3 с Нептуном. ОПК с таким орбитальным резонансом называются « плутино » в честь Плутона. [169]
Как и другие члены пояса Койпера, Плутон считается остаточной планетезималью ; компонент первоначального протопланетного диска вокруг Солнца , который не смог полностью объединиться в полноценную планету. Большинство астрономов сходятся во мнении, что Плутон обязан своим положением внезапной миграции , которую претерпел Нептун на ранних этапах формирования Солнечной системы. По мере того как Нептун мигрировал наружу, он приближался к объектам в поясе прото-Койпера, выводя один на орбиту вокруг себя (Тритона), замыкая другие в резонансы и выбивая других на хаотические орбиты. Считается , что объекты в рассеянном диске , динамически нестабильной области, перекрывающей пояс Койпера, заняли свои позиции в результате взаимодействия с мигрирующими резонансами Нептуна. [170] Компьютерная модель, созданная в 2004 году Алессандро Морбиделли из Обсерватории Лазурного берега в Ницце , предположила, что миграция Нептуна в пояс Койпера могла быть вызвана образованием резонанса 1:2 между Юпитером и Сатурном. , который создал гравитационный толчок, который вывел Уран и Нептун на более высокие орбиты и заставил их поменяться местами, в конечном итоге удвоив расстояние Нептуна от Солнца. Полученное в результате изгнание объектов из протопояса Койпера также может объяснить позднюю тяжелую бомбардировку, произошедшую через 600 миллионов лет после формирования Солнечной системы, и происхождение троянов Юпитера . [171] Вполне возможно, что Плутон имел почти круговую орбиту на расстоянии около 33 а.е. от Солнца до того, как миграция Нептуна привела его к резонансному захвату. [172] Модель Ниццы предполагает , что в исходном планетезимальном диске, включая Тритон и Эриду, было около тысячи тел размером с Плутон. [171]
Расстояние Плутона от Земли затрудняет его углубленное изучение и исследование . Визуальная видимая звездная величина Плутона в среднем составляет 15,1, а в перигелии ее яркость возрастает до 13,65. [3] Чтобы увидеть это, нужен телескоп; Желательна апертура около 30 см (12 дюймов). [173] Он выглядит звездообразным и без видимого диска даже в большие телескопы, [174] потому что его угловой диаметр составляет максимум 0,11". [3]
Самые ранние карты Плутона, созданные в конце 1980-х годов, представляли собой карты яркости, созданные на основе тщательных наблюдений затмений его крупнейшего спутника Харона. Были проведены наблюдения за изменением полного среднего блеска системы Плутон–Харон во время затмений. Например, затмение яркого пятна на Плутоне приводит к большему общему изменению яркости, чем затмение темного пятна. Компьютерная обработка многих таких наблюдений может быть использована для создания карты яркости. Этот метод также позволяет отслеживать изменения яркости с течением времени. [175] [176]
Более качественные карты были созданы на основе изображений, полученных космическим телескопом Хаббла (HST), который предлагал более высокое разрешение и демонстрировал значительно больше деталей, [102] разрешая вариации в несколько сотен километров в поперечнике, включая полярные области и большие яркие пятна. [104] Эти карты были созданы с помощью сложной компьютерной обработки, которая находит наиболее подходящие проекции для нескольких пикселей изображений Хаббла. [177] Это оставались наиболее подробными картами Плутона до пролета « Новых горизонтов» в июле 2015 года, поскольку две камеры HST, использованные для этих карт, больше не работали. [177]
Космический корабль «Новые горизонты» , пролетевший мимо Плутона в июле 2015 года, является первой и пока единственной попыткой прямого исследования Плутона. Запущенный в 2006 году, он сделал свои первые (отдаленные) изображения Плутона в конце сентября 2006 года во время испытаний сканера Long Range Reconnaissance Imager. [178] Изображения, полученные с расстояния примерно 4,2 миллиарда километров, подтвердили способность космического корабля отслеживать удаленные цели, что имеет решающее значение для маневрирования к Плутону и другим объектам пояса Койпера. В начале 2007 года корабль воспользовался гравитацией Юпитера .
«Новые горизонты» максимально приблизились к Плутону 14 июля 2015 года, после 3462-дневного путешествия через Солнечную систему. Научные наблюдения за Плутоном начались за пять месяцев до наибольшего сближения и продолжались не менее месяца после встречи. Наблюдения проводились с использованием комплекса дистанционного зондирования , включающего в себя инструменты визуализации и инструмент радионаучных исследований, а также спектроскопические и другие эксперименты. Научные цели New Horizons заключались в том, чтобы охарактеризовать глобальную геологию и морфологию Плутона и его спутника Харона, составить карту состава их поверхности, а также проанализировать нейтральную атмосферу Плутона и скорость его побега. 25 октября 2016 года в 17:48 по восточному времени последний бит данных (из 50 миллиардов бит данных; или 6,25 гигабайт) был получен от « Новых горизонтов» в результате его близкого сближения с Плутоном. [179] [180] [181] [182]
После пролета «Новых горизонтов» ученые выступали за миссию орбитального аппарата, который вернется к Плутону для достижения новых научных целей. [183] [184] [185] Они включают в себя картографирование поверхности с разрешением 9,1 м (30 футов) на пиксель, наблюдения за меньшими спутниками Плутона, наблюдения за тем, как Плутон меняется при вращении вокруг своей оси, исследования возможного подземного океана и топографическое картирование регионов Плутона, которые покрыты длительной темнотой из-за наклона его оси. Последняя цель может быть достигнута с помощью лазерных импульсов для создания полной топографической карты Плутона. Главный исследователь «Новых горизонтов» Алан Стерн выступает за создание орбитального аппарата в стиле Кассини , который будет запущен примерно в 2030 году (100-летие открытия Плутона) и будет использовать гравитацию Харона для корректировки своей орбиты по мере необходимости для достижения научных целей после прибытия в систему Плутона. [186] Орбитальный аппарат затем сможет использовать гравитацию Харона, чтобы покинуть систему Плутона и изучить больше ОПК после того, как все научные задачи Плутона будут выполнены. Концептуальное исследование, финансируемое программой NASA Innovative Advanced Concepts ( NIAC ), описывает орбитальный аппарат Плутона и посадочный модуль с возможностью термоядерного синтеза на основе Принстонского реактора с обращенной конфигурацией поля . [187] [188]
«Новые горизонты» сфотографировали все северное полушарие Плутона и экваториальные регионы примерно до 30° южной широты. Более высокие южные широты наблюдались с Земли только с очень низким разрешением. [189] Изображения, полученные космическим телескопом «Хаббл» в 1996 году, покрывают 85% площади Плутона и демонстрируют большие особенности альбедо вплоть до примерно 75° южной широты. [190] [191] Этого достаточно, чтобы показать масштабы пятен умеренного пояса. Более поздние изображения имели немного лучшее разрешение из-за незначительных улучшений в приборах Хаббла. [192] Экваториальную область субхаронового полушария Плутона удалось сфотографировать только с низким разрешением, поскольку аппарат «Новые горизонты» максимально приблизился к антихаронному полушарию. [193]
Некоторые изменения альбедо в более высоких южных широтах могут быть обнаружены аппаратом New Horizons с использованием сияния Харона (света, отраженного от Харона). Южная полярная область кажется темнее, чем северная полярная область, но в южном полушарии есть область с высоким альбедо, которая может быть региональным месторождением азотного или метанового льда. [194]
По прохождению солнечного света и радиоволн через плутоновский «воздух» можно было сказать, что давление на поверхности составляло всего около 10 микробар.
У Микки Мауса есть милая собака.
Долгое время считалось, что масса Плутона аналогична массе Земли, поэтому его классифицировали как пятую планету земной группы, каким-то образом затерянную в дальних уголках Солнечной системы. Однако были и другие аномалии, поскольку орбита Плутона была более эксцентричной и наклоненной к плоскости нашей Солнечной системы, чем орбита любой другой планеты. Лишь после открытия в 1978 году его спутника Харона удалось измерить массу Плутона, и она оказалась намного меньше массы Земли.
У нас была неопределенность, которая простиралась примерно на 70 километров, мы сжали ее до плюс-минус два, и она сосредоточена около 1186.