Транснептуновое племя, или Казус Койпера

Недавно исполнилось 90 лет открытию Плутона. Это событие когда-то стало важной вехой в исследованиях периферии Солнечной системы. Плутон долгое время считался рядовой планетой, но в действительности оказался представителем другого племени, которое теперь совокупно именуется транснептуновыми объектами (ТНО), или поясом Койпера. Мы расскажем о необычной истории возникновения этого названия.

Охота на Плутон

Именование «пояс Койпера» вызывает большое количество споров — возможно, не столь публичных и массовых, как споры о планетном статусе Плутона, но не менее оживленных. Проблема состоит в том, что присвоение имени американского астронома Джерарда Койпера группировке ТНО, возглавляемой Плутоном, произошло случайно и, как бы это сказать, не вполне обоснованно; в этом отразилась не столько историческая справедливость, сколько специфика написания научных статей.

О том, что Солнечная система не заканчивается Нептуном, говорилось фактически с самого момента его открытия. Причем поначалу имелись в виду «регулярные» массивные тела на примерно круговых орбитах — планеты, поскольку о наличии в занептуновом мире комет, передвигающихся по сильно вытянутым орбитам, было известно уже давно. Поводов поразмышлять о новых планетах Солнечной системы было как минимум два.

Во-первых, Нептун, открытый в 1846 году в результате попыток решить проблему аномалий в движении Урана, эту проблему не решил: необъясненные странности в движении Урана остались (как тогда казалось), и их логично было объяснить наличием еще одной, пока неизвестной, планеты X.

Во-вторых, указанием на существование планеты X было распределение кометных орбит. Кометы делятся на два класса: долгопериодические и короткопериодические. Формальной границей между ними считается период в 200 лет, однако многие долгопериодические кометы имеют периоды, измеряемые десятками и сотнями тысяч лет, и в афелии (максимально удаленной точке орбиты) уходят от Солнца на десятки и сотни тысяч астрономических единиц (1 а. е. = 150 млн км, среднее расстояние от Солнца до Земли). А вот короткопериодические кометы даже в афелии остаются в пределах сотни а. е. от Солнца. Как отмечал в начале XX века американский астроном Персиваль Лоуэлл, многие из них своими афелиями «привязаны» к большим планетам, образуя семейства Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, но при этом есть и кометы с афелиями в занептуновой области, на расстоянии около 50 а. е. от Солнца, там, где известных планет нет.

Перечисленные доводы — аномалии в движении Урана и далекие кометы без привязки к планете — стали для Лоуэлла стимулом к организации поисков планеты X, которые 18 февраля 1930 года увенчались обнаружением Плутона.

Здесь и начинается история «предсказаний» пояса Койпера.

Планета или нет?

Обсерватория Лоуэлла тянула с объявлением об открытии девятой планеты до 13 марта 1930 года, приурочив его к 75-летию со дня рождения Лоуэлла (он не дожил до этого дня больше 13 лет) и к очередной годовщине открытия Урана. Но причиной задержки было вовсе не желание украсить две этих даты. Первооткрыватель Плутона Клайд Томбо обнаружил его изображения на фотопластинках, которые были получены на протяжении всего нескольких ночей в январе 1930 года, и определить внятные параметры орбиты Плутона по такой короткой дуге было невозможно. Директор обсерватории Весто Слайфер опасался вытащить пустышку и тянул с объявлением, ожидая более точных расчетов.

Строго говоря, даже когда обсерватория уже выпустила патетическое заявление об открытии новой планеты Солнечной системы, о Плутоне известно было только то, что он в данный момент находится дальше Нептуна. Затем было найдено несколько ранних изображений Плутона, полученных в том числе и при жизни Лоуэлла в его обсерватории, и параметры орбиты начали уточняться. Некоторые предварительные расчеты давали для Плутона не планетную, а скорее кометную траекторию с огромным эксцентриситетом (порядка 0,9), и это стало поводом для заявлений, что Плутон представляет собой не планету (и уж точно не планету X), а объект некоего нового типа.

В частности, 13 апреля 1930 года Армин Лейшнер из Калифорнийского университета в Беркли написал, что Плутон может быть первым представителем «многочисленных долгопериодических планетных объектов, которые еще предстоит открыть». Ему вторил директор Гарвардской обсерватории Харлоу Шепли: «Предварительная орбита указывает на замечательный новый вид обитателей Солнечной системы, несопоставимый с известными астероидами и кометами и, возможно, более важный для космогонии, чем просто еще одна большая планета за Нептуном» [1]. Чем не предсказания пояса Койпера? Однако следует помнить, что они опирались на ошибочные данные о большом эксцентриситете орбиты Плутона.

К августу 1930 года ситуация с орбитой прояснилась; стало очевидно, что об экстремальных кометных параметрах речи не идет, хотя и на типичную планетную орбиту траектория Плутона не похожа. Обращаясь вокруг Солнца в том же направлении, что и остальные планеты, он движется хотя и не по кометной, но все-таки по вытянутой орбите с эксцентриситетом почти 0,25, притом наклоненной на 17° относительно плоскости орбиты Земли, что существенно больше наклонений орбит других планет.

Ау, группа ультранептуновых тел

Опираясь на эти особенности, в августе 1930 года Фредерик Леонард из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе высказал следующее предположение: «В конечном итоге может оказаться, что Солнечная система состоит из нескольких вложенных друг в друга планетных зон, или семейств. На самом деле уже более ста лет назад астрономы осознали, что в эту систему последовательно входят землеподобные планеты, малые планеты и планеты-гиганты. Не можем ли мы допустить, что Плутон попал в наше поле зрения как первый представитель группы ультранептуновых тел, остальные члены которой еще ожидают открытия?»

Однако шло время, другие «плутоноподобные» объекты обнаружить не удавалось, и Плутон постепенно закрепился в космогонии в ранге обычной планеты. Следующий подход к проблеме транснептуновых тел возник уже в контексте теорий формирования Солнечной системы. Здесь первые обоснованные соображения были высказаны ирландским ученым Кеннетом Эджвортом. В 1938 году он сформулировал их в книге о своей теории формирования Солнечной системы, однако издатели эту книгу отвергли, и далее Эджворт публиковал свои идеи в нескольких статьях начиная с 1943 года.

Он пришел к выводу, что планеты Солнечной системы формировались в результате укрупнения твердых частиц, составлявших протосолнечный диск, и сделал вполне логичное предположение, что облако рассеянного вещества, конденсация которого в конечном итоге привела к формированию Солнечной системы, не было ограничено современной орбитой Плутона. Но твердые сгустки, сформировавшиеся в этой разреженной внешней области, за время существования Солнечной системы не успели слиться в большие планеты, и потому «можно предположить, что внешняя область Солнечной системы за орбитами планет населена очень большим количеством относительно малых тел» [2].

Вереница публикаций о кометном поясе

То ли оттого, что их публикация пришлась на военные и послевоенные годы, то ли из-за общей невысокой актуальности проблемы работы Эджворта особого внимания не ­прив­лекли. И здесь на сцене появляется Джерард Койпер, который в конце 1940-х годов также решил обратиться к проблеме формирования Солнечной системы. Он так же как и Эджворт сделал вывод, что после образования больших планет на периферии системы должны были остаться малые тела, так и не ставшие большими планетами. Но Койпер сделал и еще один шаг, совершенно неизбежный, учитывая уровень знаний тех лет: он предположил, что теперь эти тела за орбитой Нептуна отсутствуют, поскольку их выбросил оттуда Плутон, масса которого считалась в то время сопоставимой с массой Земли.

С этими соображениями Койпера связаны две публикационные странности, которые, вероятно, сыграли определяющую роль в дальнейшей истории именования транснептуновой области. Во-первых, Койпер опубликовал их не в научном журнале, а в трудах конференции [3]. Во-вторых, он почему-то не упомянул в этой работе труды Эджворта. Вероятно, Койпер в принципе не придавал этой идее большого значения, так как в дальнейших трудах он к теме транснептуновой области особо не возвращался. «Кометный пояс» (или «кометная зона») сразу за орбитой Нептуна был крат­ко упомянут в работе Койпера 1974 года [4], опубликованной уже после его смерти,— но опять как отсутствующие сущности.

Позже подобные идеи высказывались и другими учеными. В 1962 году в обзоре, посвященном формированию Солнечной системы, на возможность существования большого количества твердого вещества за орбитой Нептуна мельком указал Элистер Кэмерон [5]. В 1964 году Фред Уиппл выпустил работу, которая так и называлась — “Evidence for a comet belt beyond Neptune” [6]. В ней он высказал мнение, что за орбитой Нептуна на расстоянии 40–50 а. е. от Солнца может существовать устойчивый пояс из кометных ядер массой порядка ­10–20 масс Земли. Забавно, что источником этой идеи Уиппл назвал Кэмерона, не упомянув ни Эджворта, ни Койпера.

Идея Уиппла привлекла внимание уругвайского астронома Хулио Фернандеса: занептуновый кометный пояс заинтересовал его в связи с проблемой происхождения короткопериодических комет, которая в 1960–1970-е годы становилась всё острее. До этого времени казалось разумным предполагать, что любые кометы происходят из одной и той же области пространства — так называемого облака Оорта, гипотетического гигантского резервуара кометных ядер поперечником в десятки, а то и сотни тысяч а. е., существование которого постулировал в 1950 году нидерландский астроном Ян Оорт. В рамках этого предположения в качестве долгопериодических наблюдаются кометы, впервые прилетающие из облака Оорта в центральную часть Солнечной системы, а короткопериодическими становятся те из них, которые во время своих визитов опасно сближаются с большими планетами Солнечной системы и под их воздействием переходят на более компактные траектории.

Фернандес с помощью теоретического моделирования показал, что процесс захвата долгопериодических комет планетами-гигантами крайне неэффективен: на одну захваченную комету приходится настолько большое количество комет, которые выбрасываются в меж­звездное пространство, что за время существования Солнечной системы этот процесс должен был бы полностью исчерпать облако Оорта. Вторая проблема связана с тем, что орбиты долго- и короткопериодических комет по-разному расположены в пространстве. Распределение орбит долгопериодических комет примерно сферически-симметрично, тогда как большая часть короткопериодических комет обращается вокруг Солнца в ту же сторону, что и планеты, и по орбитам, незначительно наклоненным к плоскости эклиптики. Обе проблемы решаются, если предположить, что источником короткопериодических комет является не облако Оорта, а другой кометный резервуар — уплощенный пояс кометных ядер за орбитой Нептуна.

В 1980 году Фернандес опубликовал статью о связи этого пояса с короткопериодическими кометами [7], указав в ней, что предположение о существовании этого пояса было высказано в работе Койпера 1951 года. Позже он сам винил себя за то, что проглядел работы Эджворта и сослался не на них, а на Койпера, который на самом деле утверждал, что кометного пояса не существует. Узнать о статьях Эджворта из работы Койпера, как мы помним, Фернандес не мог.

Финальным аккордом стала статья Дункана, Куинна и Тримейна 1988 года, также посвященная происхождению короткопериодических комет. В ней они написали следующее: «Ряд авторов (например, Койпер 1951, Фернандес 1980) указали, что, если твердое вещество в области внешних планет распределено в форме диска и если проэкстраполировать вовне распределение его поверхностной плотности, мы можем ожидать, что масса вещества между 35 и 50 а. е. составляет как минимум несколько масс Земли и, вероятно, еще больше за 50 а. е. Это вещество представляет собой многообещающий источник короткопериодических комет» [8]. Но Койпер на это не указывал, он писал прямо противоположное! Возможно, Дункан с соавторами, доверившись Фернандесу, просто не стали искать в библио­теке труды конференции 1951 года (да такие издания и не во всякой библиотеке могут быть). В своей статье они, по-видимому, первыми использовали короткое словосочетание «пояс Койпера», которое после этого «пошло в народ».

Реальный пояс Койпера: так кто же прав?

Наиболее пострадавшей стороной в этой истории выглядит Эджворт, и потому время от времени предпринимаются попытки переименовать пояс Койпера в пояс Эджворта — Койпера или даже просто в пояс Эджворта, но попытки эти безуспешны. Отчасти это, наверное, связано с тем, что, как показывают современные исследования ТНО, реальный пояс Койпера не соответствует ни одному из описанных выше предсказаний.

Он имеет сложную структуру, в которую входят объекты на почти круговых орбитах с небольшими наклонениями (классический пояс Койпера); объекты на сильно вытянутых орбитах (рассеянный диск); объекты, находящиеся в различных резонансах с Нептуном (именно в эту группу входит Плутон); объекты, которые вообще непонятно что делают в Солнечной системе (седноиды¹)…

Возможно, что классический пояс Койпера является остатком формировавшейся Солнечной системы (прав Эджворт?), но есть и модели, в которых исходное вещество протосолнечной системы разбрасывается планетами-гигантами, а область современного классического пояса заселяется объектами позже (прав Койпер?). Наличие рассеянного диска показывает, что в транснептуновой области действительно есть объекты на орбитах с большими эксцентриситетами (правы Лейшнер и Леонард?). Причем источником короткопериодических комет может быть именно рассеянный диск, а не классический пояс Койпера (неправы все?).

Что с этим делать? Конечно, существует так называемый закон Стиглера, согласно которому никакое научное открытие не носит имени того, кто его сделал. Например, идею об облаке Оорта существенно раньше Оорта высказал Эрнст Эпик, но Оорт, по крайней мере, писал о том же объекте. Койпер же, положа руку на сердце, пояса, названного в его честь, вообще не предсказывал. Тем не менее, название остается, споры о нем остаются, и история эта, вероятно, будет тянуться еще долго. Ее «виновник» Хулио Фернадес предлагает вообще отказаться от имени собственного, оставив более общее и потому более корректное обозначение — «транснептуновые объекты». В конце концов, пишет он, мы же не испытываем тяги называть Главный пояс астероидов поясом Пиацци в честь первооткрывателя Цереры.

1. boulder.swri.edu/ekonews/issues/past/n010/html/index.html
2. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1943JBAA…53..181E/abstract
3. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1951astr.conf..357K/abstract
4. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1974CeMec…9..321K/abstract
5. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1962Icar… 1…13C/abstract
6. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1964PNAS…51..711W/abstract
7. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1980MNRAS.192..481F/abstract
8. ui.adsabs.harvard.edu/abs/1988ApJ…328L..69D/abstract

Дмитрий Вибе, докт. физ.-мат. наук,
зав. отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН

¹ Седноид (sednoid) — транснептуновый объект с перигелийным расстоянием более 50 а. е. и большой полуосью более 150 а. е. Известно три подобных объекта. Один из них назван «Седна» в честь эскимосской богини тюленей, моржей и других морских животных: она повелевает царством мертвых. Также в честь нее названа равнина на Венере. — Ред.