Число карликовых планет в Солнечной системе неизвестно. По оценкам, их число достигает 200 в поясе Койпера [1] и более 10 000 в области за его пределами. [2] Однако, учитывая удивительно низкую плотность многих крупных транснептуновых объектов, а также спектроскопический анализ их поверхностей, можно предположить, что число карликовых планет может быть намного меньше, возможно, всего девять среди известных на данный момент тел. [3] [4] Международный астрономический союз (МАС) определяет карликовые планеты как находящиеся в гидростатическом равновесии и отмечает, в частности, шесть тел: Цереру во внутренней Солнечной системе и пять в транснептуновой области: Плутон , Эрида , Хаумеа , Макемаке и Квавар . [5] Только Плутон и Церера были подтверждены как находящиеся в гидростатическом равновесии благодаря результатам миссий New Horizons и Dawn . [6] Эрида, как правило, считается карликовой планетой, поскольку она похожа по размеру на Плутон и даже более массивна. Хаумеа и Макемаке были приняты в качестве карликовых планет Международным астрономическим союзом для целей наименования и сохранят свои названия, если выяснится, что они не являются карликовыми планетами. Более мелкие транснептуновые объекты называются карликовыми планетами, если они кажутся твердыми телами, что является предпосылкой для гидростатического равновесия: планетологи обычно включают по крайней мере Гунгун , Оркус и Седну . На практике требование гидростатического равновесия часто ослабляется, чтобы включить все гравитационно округленные объекты, даже Международным астрономическим союзом, поскольку в противном случае даже Меркурий не был бы планетой. Квавар был принят в качестве карликовой планеты в ежегодном отчете за 2022–2023 годы.
Помимо прямого вращения вокруг Солнца, отличительной чертой карликовой планеты является то, что она имеет «достаточную массу для того, чтобы ее собственная гравитация преодолевала силы твердого тела, так что она принимает гидростатическую равновесную ( почти круглую ) форму». [7] [8] [9] Текущих наблюдений, как правило, недостаточно для прямого определения того, соответствует ли тело этому определению. Часто единственными подсказками для транснептуновых объектов (ТНО) является грубая оценка их диаметров и альбедо. Ледяные спутники диаметром до 1500 км оказались не в равновесии, тогда как темные объекты во внешней части Солнечной системы часто имеют низкую плотность, что подразумевает, что они даже не являются твердыми телами, не говоря уже о гравитационно контролируемых карликовых планетах.
Церера , в составе которой значительное количество льда, является единственной признанной карликовой планетой в поясе астероидов , хотя есть необъяснимые аномалии. [10] 4 Веста , второй по массе астероид и один из базальтовых по составу, по-видимому, имеет полностью дифференцированную внутреннюю часть и, следовательно, находился в равновесии в какой-то момент своей истории, но сейчас уже не находится. [11] Третий по массе объект, 2 Паллада , имеет несколько неровную поверхность и, как полагают, имеет только частично дифференцированную внутреннюю часть; он также менее ледяной, чем Церера. Майкл Браун подсчитал, что, поскольку скалистые объекты, такие как Веста, более жесткие, чем ледяные объекты, скалистые объекты диаметром менее 900 километров (560 миль) могут не находиться в гидростатическом равновесии и, таким образом, не быть карликовыми планетами. [1] Два крупнейших ледяных астероида внешнего пояса 10 Гигея и 704 Интерамния близки к равновесию, но в случае Гигеи это может быть результатом ее разрушения и повторного объединения ее фрагментов, в то время как Интерамния в настоящее время несколько отклонилась от равновесия из-за столкновений. [10] [12]
На основе сравнения с ледяными лунами, которые посещались космическими аппаратами, такими как Мимас (круглый, диаметром 400 км) и Протей (неправильный, диаметром 410–440 км), Браун подсчитал, что ледяное тело релаксирует в гидростатическое равновесие при диаметре где-то между 200 и 400 км. [1] Однако после того, как Браун и Танкреди провели свои расчеты, более точное определение их форм показало, что Мимас и другие эллипсоидальные луны Сатурна среднего размера , по крайней мере, до Япета (который при диаметре 1471 км примерно такого же размера, как Хаумеа и Макемаке) больше не находятся в гидростатическом равновесии; они также более ледяные, чем, вероятно, должны быть транснептуновые объекты. Они имеют равновесные формы, которые застыли на месте некоторое время назад, и не соответствуют формам, которые имели бы равновесные тела при их текущих скоростях вращения. [13] Таким образом , Рея , диаметром 1528 км, является наименьшим телом, для которого гравитационные измерения согласуются с текущим гидростатическим равновесием. Церера, диаметром 950 км, близка к равновесию, но некоторые отклонения от равновесной формы остаются необъясненными. [14] Гораздо более крупные объекты, такие как луна Земли и планета Меркурий, сегодня не близки к гидростатическому равновесию, [15] [16] [17] хотя Луна состоит в основном из силикатных пород, а Меркурий из металла (в отличие от большинства кандидатов в карликовые планеты, которые состоят из льда и камня). Спутники Сатурна могли подвергнуться тепловой истории, которая могла бы создать равновесные формы в телах, слишком малых для того, чтобы одна лишь гравитация могла это сделать. Таким образом, в настоящее время неизвестно, находятся ли какие-либо транснептуновые объекты, меньшие Плутона и Эриды, в гидростатическом равновесии. [3] Тем не менее, на практике это не имеет значения, потому что точное утверждение о гидростатическом равновесии в определении повсеместно игнорируется в пользу округлости и твердости. [3] [18]
Большинство средних ТНО размером доДиаметром 900–1000 км плотность значительно ниже (~1,0–1,2 г/мл ), чем более крупные тела, такие как Плутон (1,86 г/см 3 ). Браун предположил, что это было связано с их составом, что они были почти полностью ледяными. Однако Гранди и др. [3] указывают, что не существует известного механизма или эволюционного пути для тел среднего размера, чтобы быть ледяными, в то время как и более крупные, и более мелкие объекты являются частично каменистыми. Они продемонстрировали, что при преобладающих температурах пояса Койпера водяной лед достаточно прочен, чтобы поддерживать открытые внутренние пространства (промежутки) в объектах такого размера; они пришли к выводу, что транснептуновые объекты среднего размера имеют низкую плотность по той же причине, что и более мелкие объекты, — потому что они не уплотнились под действием собственной гравитации в полностью твердые объекты, и, таким образом, типичные транснептуновые объекты размером менееДиаметр 900–1000 км (при условии наличия какого-либо иного механизма формирования) вряд ли может быть карликовой планетой.
В 2010 году Гонсало Танкреди представил отчет в МАС, оценивающий список 46 транснептуновых кандидатов на статус карликовой планеты на основе анализа амплитуды кривой блеска и расчета того, что объект был более 450 километров (280 миль) в диаметре. Некоторые диаметры были измерены, некоторые были наиболее подходящими оценками, а другие использовали предполагаемое альбедо 0,10 для расчета диаметра. Из них он определил 15 как карликовые планеты по своим критериям (включая 4 принятые МАС), а еще 9 считались возможными. Чтобы быть осторожным, он посоветовал МАС «официально» принять в качестве карликовых планет три первые: Седну, Оркус и Квавар. [19] Хотя МАС предвидел рекомендации Танкреди, к концу 2023 года был принят только Квавар.
Майк Браун считает, что 130 транснептуновых тел «вероятно» являются карликовыми планетами, ранжируя их по предполагаемому размеру. [20] Он не учитывает астероиды, заявляя, что «в поясе астероидов Церера, диаметром 900 км, является единственным объектом, достаточно большим, чтобы быть круглым». [20]
Термины для различных степеней вероятности он разделил на:
Помимо пяти более старых, принятых МАС, плюс Квавар, в категорию «почти наверняка» входят Gonggong , Sedna , Orcus , 2002 MS 4 и Salacia . Обратите внимание, что хотя сайт Брауна утверждает, что обновляется ежедневно, эти крупнейшие объекты не обновлялись с конца 2013 года, и действительно, текущие лучшие оценки диаметра для Salacia и 2002 MS 4 составляют менее 900 км. (Orcus находится чуть выше порогового значения.) [21]
Гранди и др. предполагают, что темные транснептуновые объекты низкой плотности размером примерно400–1000 км являются переходными между меньшими, пористыми (и, следовательно, малоплотными) телами и более крупными, плотными, яркими и геологически дифференцированными планетными телами (такими как карликовые планеты). Тела в этом диапазоне размеров должны были начать разрушать интерстициальное пространство, оставшееся после их формирования, 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 состоять почти полностью из водяного льда, поскольку он предполагал, что тела такого размера обязательно будут твердыми. Однако это оставляет необъясненным, почему транснептуновые объекты как больше 1000 км, так и меньше 400 км, и, конечно, кометы, состоят из значительной доли скальных пород, оставляя только этот диапазон размеров в основном ледяным. Эксперименты с водяным льдом при соответствующих давлениях и температурах показывают, что существенная пористость может сохраняться в этом диапазоне размеров, и возможно, что добавление скальных пород в смесь еще больше увеличит сопротивление коллапсу в твердое тело. Тела с внутренней пористостью, оставшейся от их формирования, могли быть в лучшем случае лишь частично дифференцированными в своих глубоких недрах (если тело начало разрушаться в твердое тело, должны быть доказательства в виде систем разломов с момента сжатия его поверхности). Более высокие альбедо более крупных тел также свидетельствуют о полной дифференциации, поскольку такие тела, предположительно, были покрыты льдом из своих недр. Гранди и др . [3] предполагают, что тела среднего размера (< 1000 км), низкой плотности (< 1,4 г/см 3 ) и низкого альбедо (< ~0,2), такие как Салация , Варда , Гюкунхомдима и (55637) 2002 UX 25, не являются дифференцированными планетарными телами, такими как Орк , Квавар и Харон . Граница между двумя популяциями, по-видимому, находится в диапазоне около900–1000 км , хотя Гранди и др. также предполагают, что600–700 км может быть верхним пределом для сохранения значительной пористости. [3]
Если Гранди и др. [3] правы, то очень немногие известные тела во внешней Солнечной системе, вероятно, уплотнились в полностью твердые тела и, таким образом, возможно, стали карликовыми планетами в какой-то момент своего прошлого или все еще являются карликовыми планетами в настоящее время. Плутон-Харон, Эрида, Хаумеа, Гонггонг, Макемаке, Квавар и Седна либо известны (Плутон), либо являются сильными кандидатами (остальные). Орк снова немного превышает порог по размеру, хотя он яркий.
Существует ряд меньших тел, диаметр которых оценивается от 700 до 900 км, для большинства из которых недостаточно данных, чтобы применить эти критерии. Все они темные, в основном с альбедо менее 0,11, за исключением более яркого 2013 FY 27 (0,18); это говорит о том, что они не являются карликовыми планетами. Однако Салация и Варда могут быть достаточно плотными, чтобы, по крайней мере, быть твердыми. Если бы Салация была сферической и имела такое же альбедо, как ее луна, 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. [22] Варда может иметь более высокую плотность 1,78±0,06 г/см3 ( более низкая плотность 1,23±0,04 г/см3 считалась возможной, хотя и менее вероятной), опубликовано через год после первоначальной оценки Гранди и др.; [23] его альбедо 0,10 близко к альбедо Квавара.
В 2023 году Эмери и др. написали, что спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне, проведенная космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) в 2022 году, предполагает, что Седна, Гонгонг и Квавар внутренне расплавились и дифференцировались и химически эволюционировали, как и более крупные карликовые планеты Плутон, Эрида, Хаумеа и Макемаке, но в отличие от «всех меньших объектов пояса Пояса Койпера». Это связано с тем, что на их поверхности присутствуют легкие углеводороды (например, этан , ацетилен и этилен ), что подразумевает, что метан постоянно пополняется, и что метан, вероятно, поступает из внутренней геохимии. С другой стороны, поверхности Седны, Гонгонг и Квавара имеют низкое содержание CO и CO 2 , подобно Плутону, Эриде и Макемаке, но в отличие от более мелких тел. Это говорит о том, что порогом для карликовой планеты в транснептуновой области является диаметр ~900 км (включая только Плутон, Эриду, Хаумеа, Макемаке, Гонгонг, Квавар, Оркус и Седну), и что даже Салация может не быть карликовой планетой. [4]
Оценки МАС, Танкреди и др., Брауна и Гранди и др. для некоторых потенциальных карликовых планет следующие. Для МАС критерии приемлемости были предназначены для целей наименования; Квавар был назван карликовой планетой в ежегодном отчете МАС за 2022–2023 годы. [24] Пресс-релиз МАС с вопросами и ответами от 2006 года был более конкретным: он оценил, что объекты с массой более5 × 10 20 кг и диаметром более 800 км (800 км в поперечнике) «обычно» находились бы в гидростатическом равновесии («форма... обычно определялась бы самогравитацией»), но «все пограничные случаи должны были бы определяться наблюдением». [25] Это близко к предложению Гранди и др. относительно приблизительного предела.
Некоторые из этих объектов еще не были обнаружены, когда Танкреди и др. проводили свой анализ. Единственным критерием Брауна является диаметр; он принимает значительно большее количество как «весьма вероятное» быть карликовыми планетами, для которых его порог составляет 600 км (см. ниже). Гранди и др. не определили, какие тела были карликовыми планетами, а скорее те, которые не могли ими быть. Красныйотмечает объекты, которые недостаточно плотны, чтобы быть твердыми телами; к этому добавляется вопросительный знак для объектов, плотность которых неизвестна (они все темные, что предполагает, что они не являются карликовыми планетами). Эмери и др. предполагают, что Седна, Квавар и Гунгонг прошли через внутреннее плавление, дифференциацию и химическую эволюцию, как и более крупные карликовые планеты, но что все более мелкие объекты пояса Койпера этого не сделали. [4] Вопрос текущего равновесия не рассматривался; тем не менее, он обычно не воспринимается всерьез, несмотря на то, что находится в определении. (Меркурий круглый, но известно, что он не находится в равновесии; [26] он повсеместно считается планетой в соответствии с намерением МАС и геофизическими определениями, а не буквой.) [18] Это было бы актуально для Квавара, так как в 2024 году Кисс и др. обнаружили, что Квавар имеет эллипсоидальную форму, несовместимую с гидростатическим равновесием для его текущего вращения. Они выдвинули гипотезу, что изначально Квавар имел быстрое вращение и находился в гидростатическом равновесии, но его форма «застыла» и не менялась по мере его вращения из-за приливных сил со стороны его луны Вейвота . [27] Если это так, то это будет напоминать ситуацию с луной Сатурна Япетом , которая слишком сплющена для своего текущего вращения. [28] [29] Тем не менее , Япет, как правило, по-прежнему считается луной планетарной массы , [30] хотя и не всегда. [31]
Для сравнения включены два спутника: Тритон, образовавшийся как ТНО, и Харон, который больше некоторых кандидатов в карликовые планеты.
Следующие транснептуновые объекты имеют измеренные диаметры по крайней мере 600 километров (370 миль) в пределах погрешности измерений; это был порог, чтобы считаться «высоковероятной» карликовой планетой в ранней оценке Брауна. Гранди и др. предположили, что диаметр от 600 км до 700 км может представлять собой «верхний предел для сохранения существенного внутреннего порового пространства», и что объекты около 900 км могли иметь коллапс внутренностей, но не смогли полностью дифференцироваться. [3] Два спутника ТНО, которые превосходят этот порог, также были включены: луна Плутона Харон и луна Эриды Дисномия. Следующая по величине луна ТНО — луна Оркуса Вант на442,5 ± 10,2 км и плохо ограниченный(87 ± 8) × 10 18 кг , с альбедо около 8 %.
Церера, которую обычно считают карликовой планетой, добавлена для сравнения. Также для сравнения добавлен Тритон, который, как полагают, был карликовой планетой в поясе Койпера до того, как был захвачен Нептуном.
Тела с очень плохо известными размерами (например, 2018 VG 18 "Farout") были исключены. Усложнение ситуации для плохо известных тел заключается в том, что тело, предполагаемое как большой одиночный объект, может оказаться двойной или тройной системой более мелких объектов, таких как 2013 FY 27 или Lempo . Затмение 2004 XR 190 ("Buffy") в 2021 году обнаружило хорду в 560 км: если тело приблизительно сферическое, то, вероятно, диаметр больше 560 км, но если оно вытянутое, средний диаметр вполне может быть меньше. Объяснения и источники измеренных масс и диаметров можно найти в соответствующих статьях, ссылки на которые указаны в столбце "Обозначение" таблицы.
Все эти категории могут быть изменены при появлении дополнительных доказательств.
Для объектов без измеренного размера или массы размеры можно оценить только предположив альбедо. Большинство субкарликовых объектов считаются темными, потому что они не были восстановлены; это означает, что они также относительно велики для своих величин. Ниже приведена таблица предполагаемых альбедо между 4% (альбедо Салации) и 20% (значение, выше которого предполагается восстановление поверхности), а также размеры объектов с этими альбедо (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 число карликовых планет, которые мы обнаружим в поясе Койпера и за его пределами, может значительно превысить 10 000.