Большинство известных объектов пояса Койпера имеют большую полуось в диапазоне примерно между 35 и 48 а. е. (красные и синие объекты на диаграмме). Считается, что кентавры (показаны жёлтым) и объекты рассеянного диска (серые) ранее тоже располагались в поясе Койпера, но были рассеяны Нептуном внутрь и наружу
Известные объекты пояса Койпера, по данным Центра малых планет. Объекты основного пояса показаны зелёным, рассеянного диска — оранжевым. Четыре внешних планеты имеют голубой цвет. Троянские астероиды Нептуна показаны жёлтым, Юпитера — розовым. Рассеянные объекты между Солнцем и поясом Койпера известны как кентавры. Масштаб показан в астрономических единицах. Пробел в нижней части рисунка вызван нахождением в этой области полосы Млечного Пути, скрывающей тусклые объекты[источник не указан 1283 дня]

Пояс Ко́йпера (иногда также называемый пояс Э́джворта — Койпера) — область Солнечной системы от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояния около 55 а. е. от Солнца[1]. Хотя пояс Койпера похож на пояс астероидов, он примерно в 20 раз шире и в 20—200 раз массивнее последнего[2][3]. Как и пояс астероидов, он состоит в основном из малых тел, то есть материала, оставшегося после формирования Солнечной системы. В отличие от объектов пояса астероидов, которые в основном состоят из горных пород и металлов, объекты пояса Койпера (ОПК) состоят главным образом из летучих веществ (называемых льдами), таких как метан, аммиак и вода. В этой области ближнего космоса находятся по крайней мере четыре карликовые планеты: Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Кроме того, считается, что некоторые спутники планет Солнечной системы, такие как спутник Нептуна Тритон и спутник Сатурна Феба, также возникли в этой области[4][5].

С тех пор, как в 1992 году пояс был открыт[6], число известных ОПК превысило тысячу, и предполагается, что ещё более 70 000 ОПК с диаметром более 100 км пока не обнаружены[7]. Ранее считалось, что пояс Койпера — главный источник короткопериодических комет с орбитальными периодами менее 200 лет. Однако наблюдения, проводимые с середины 1990-х годов, показали, что пояс Койпера динамически стабилен и что настоящий источник этих комет — рассеянный диск, динамически активная область, созданная направленным вовне движением Нептуна 4,5 миллиарда лет назад[8]; объекты рассеянного диска, такие как Эрида, похожи на ОПК, но уходят по своим орбитам очень далеко от Солнца (до 100 а. е.).

Плутон — крупнейший известный объект пояса Койпера. Первоначально он считался планетой, но был переклассифицирован как карликовая планета. По составу Плутон напоминает прочие объекты пояса Койпера, а его период обращения позволяет отнести его к подгруппе ОПК под названием «плутино». В честь Плутона подгруппу из четырёх известных на данный момент карликовых планет, обращающихся за орбитой Нептуна, называют «плутоидами».

Пояс Койпера не следует путать с гипотетическим облаком Оорта, которое расположено в тысячи раз дальше. Объекты пояса Койпера, как и объекты рассеянного диска и облака Оорта, относят к транснептуновым объектам (ТНО)[9].

История исследования

После открытия Плутона многие учёные полагали, что он не единственный в своём роде объект. Различные предположения по поводу области космоса, ныне известной как пояс Койпера, выдвигались в течение нескольких десятков лет, однако первое прямое доказательство его существования было получено только в 1992 году. Так как гипотезы о природе пояса Койпера, предшествовавшие его открытию, были весьма многочисленны и разнообразны, то трудно сказать, кто именно первым выдвинул подобную гипотезу.

Гипотезы

Первым астрономом, выдвинувшим предположение о существовании транснептуновой популяции, был Фредерик Леонард. В 1930 году, вскоре после открытия Плутона, он писал: «Нельзя ли предположить, что Плутон — лишь первый из серии тел за орбитой Нептуна, которые ещё ожидают своего открытия и в конечном счёте будут обнаружены?»[10]

Астроном Джерард Койпер, в честь которого назван пояс Койпера

Кеннет Эджворт предположил (1943, Журнал Британской астрономической ассоциации), что в области космоса за орбитой Нептуна первичные элементы туманности, из которой сформировалась Солнечная система, были слишком рассеяны для того, чтобы уплотниться в планеты. Исходя из этого, он пришёл к выводу, что «внешняя область Солнечной системы за орбитами планет занята огромным количеством сравнительно небольших тел»[11] и что время от времени одно из этих тел «покидает своё окружение и появляется как случайный гость внутренних областей Солнечной системы»[12], становясь кометой.

Джерард Койпер предположил (1951, журнал «Астрофизика»), что подобный диск образовался на ранних этапах формирования Солнечной системы; однако он не считал, что такой пояс сохранился и до наших дней. Койпер исходил из распространённого для того времени предположения о том, что размеры Плутона близки к размерам Земли и потому Плутон рассеял эти тела к облаку Оорта или вообще из Солнечной системы[13].

В последующие десятилетия гипотеза принимала много различных форм: например, в 1962 году физик Алистер Кемерон выдвинул гипотезу о существовании «огромной массы мелкого материала на окраине Солнечной системы»[14], а позднее, в 1964 году, Фред Уиппл (популяризатор известной теории «грязного снежка», объясняющей строение кометы) предположил, что «кометный пояс» может быть достаточно массивным, чтобы вызвать заметные возмущения в орбитальном движении Урана, которые инициировали поиски пресловутой планеты за орбитой Нептуна, или, по крайней мере, чтобы затронуть орбиты известных комет[15]. Наблюдения, однако, исключили эту гипотезу[14].

В 1977 году Чарльз Коваль открыл ледяной планетоид Хирон, орбита которого расположена между Сатурном и Ураном. Он использовал блинк-компаратор — то же самое устройство, которое пятьюдесятью годами ранее помогло Клайду Томбо открыть Плутон[16]. В 1992 году был обнаружен другой объект с похожей орбитой — Фол[17]. Сегодня известно, что на орбитах между Юпитером и Нептуном существует целая популяция кометоподобных небесных тел, именуемых «кентаврами». Орбиты кентавров непостоянны и имеют динамические времена жизни в несколько миллионов лет[18]. Поэтому со времён открытия Хирона астрономы предполагали, что популяция кентавров должна пополняться из какого-то внешнего источника[19].

Новые доказательства в пользу существования пояса Койпера были получены в ходе исследования комет. Давно было известно, что кометы обладают конечным временем жизни. Когда они приближаются к Солнцу, его высокая температура испаряет летучие вещества с их поверхности в открытый космос, постепенно уничтожая их. Поскольку кометы не исчезли задолго до нашего времени, эта популяция небесных тел должна постоянно пополняться[20]. Предполагают, что одна из областей, из которой идёт такое пополнения — это «облако Оорта», сферический рой комет, простирающийся более чем на 50 000 а. е. от Солнца, гипотеза о существовании которого была впервые выдвинута Яном Оортом в 1950 году[21]. Считается, что в этой области возникают долгопериодические кометы — такие, например, как комета Хейла-Боппа с периодом обращения в тысячелетия.

Однако есть и другая группа комет, известная как короткопериодические или «периодические» кометы с периодом обращения менее 200 лет — например, комета Галлея. К 1970-м годам темпы открытия новых короткопериодических комет стали все хуже и хуже согласовываться с предположением о том, что они происходят только из облака Оорта[22]. Для того, чтобы объект из облака Оорта стал короткопериодической кометой, он сначала должен быть захвачен планетами-гигантами. В 1980 году, в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Хулио Фернандес подсчитал, что на каждую комету, которая движется из облака Оорта во внутренние области Солнечной системы, приходится 600 комет, которые выбрасываются в межзвёздное пространство. Он предположил, что кометный пояс между 35 и 50 а. е. мог бы объяснить наблюдаемое количество комет[23]. Развивая работы Фернандеса, в 1988 году группа канадских астрономов, в которую входили Мартин Дункан, Томас Куин и Скот Тремен, провела серию компьютерных моделирований с целью определить, все ли короткопериодические кометы прибыли из облака Оорта. Они обнаружили, что далеко не все короткопериодические кометы могли происходить из этого облака — в частности, потому, что они группируются вблизи плоскости эклиптики, тогда как кометы облака Оорта прилетают практически из любой области неба. После того, как описанный Фернандесом пояс был добавлен в расчёты, модель стала соответствовать наблюдениям[24]. Так как слова «Койпер» и «кометный пояс» присутствовали в первом предложении статьи Х. Фернандеса, Тремен назвал эту гипотетическую область космоса «поясом Койпера»[25].

Открытие

Телескопы на вулкане Мауна-Кеа, при помощи которых был обнаружен пояс Койпера

В 1987 году астроном Дэвид Джуитт (Массачусетский технологический институт) всерьёз задумался над «кажущейся пустотой внешней Солнечной системы»[6]. Пытаясь обнаружить другие объекты за орбитой Плутона, он говорил помогавшей ему аспирантке Джейн Лу: «Если этого не сделаем мы, то не сделает никто»[26]. Используя телескопы обсерватории Китт-Пик в Аризоне и обсерватории Сьерро-Тололо в Чили, Джуит и Лу вели поиски при помощи блинк-компаратора, почти тем же способом, что Клайд Томбо и Чарльз Коваль[26]. Первоначально проверка каждой пары пластинок занимала до 8 часов[27], в дальнейшем процесс был сильно ускорен при помощи ПЗС-матриц, которые, несмотря на более узкое поле зрения, более эффективно собирали свет (сохраняли 90 % полученного света, тогда как фотопластинки — всего 10 %), и допускали процесс сравнения на мониторе компьютера. Сегодня ПЗС-матрицы — основа для большинства астрономических детекторов[28]. В 1988 году Джуитт перешёл в Астрономический институт Гавайского университета. Впоследствии Лу присоединилась к его работе на 2,24-метровом телескопе обсерватории Мауна-Кеа[29]. Позднее поле зрения ПЗС-матриц было увеличено до 1024×1024 пикселя, что ещё более ускорило поиск[30]. После 5 лет поисков, 30 августа 1992 года, Джуитт и Лу объявили об открытии кандидата в объекты пояса Койпера (15760) 1992 QB1[6]. Через шесть месяцев они обнаружили второго кандидата (181708) 1993 FW[31].

После создания первых карт области пространства за Нептуном исследования показали, что зона, теперь называемая поясом Койпера, не является местом происхождения короткопериодических комет. На самом деле они образуются в соседней области, называемой «рассеянный диск», который образовался в те времена, когда Нептун мигрировал ко внешним границам Солнечной системы. Область, позднее ставшая поясом Койпера, тогда была значительно ближе к Солнцу. Нептун оставил за собой семейство динамически стабильных объектов, на движение которых он никак не может воздействовать (собственно пояс Койпера), а также отдельную группу объектов, перигелии которых достаточно близки к Солнцу для того, чтобы Нептун мог возмущать их орбиты (рассеянный диск). Поскольку, в отличие от стабильного пояса Койпера, рассеянный диск динамически активен, именно он сегодня считается вероятным источником короткопериодических комет[8].

Название

Признавая заслуги Кеннета Эджворта, астрономы иногда называют пояс Койпера «поясом Эджворта — Койпера». Однако Брайан Марсден считает, что ни один из этих учёных не заслуживает такой чести: «Ни Эджворт, ни Койпер не писали ни о чём похожем на то, что мы сейчас наблюдаем — это сделал Фред Уиппл»[32]. Есть и ещё одно мнение — Дэвид Джуитт сказал по поводу этой проблемы следующее: «Если говорить о чьём-то имени… то Фернандез более всех заслуживает чести считаться человеком, предсказавшим пояс Койпера»[13]. Некоторые группы учёных предлагают использовать для объектов этого пояса термин транснептуновый объект (ТНО) как наименее спорный. Однако это не синонимы, так как к ТНО относят все объекты, обращающиеся за орбитой Нептуна, а не только объекты пояса Койпера.

Категории объектов пояса

На 26 мая 2008 года известно 1077 объектов транснептунового пояса, которые можно разделить на три категории:

  • Классические объекты: имеют приблизительно круговые орбиты с небольшим наклонением, не связаны с движением планет. Такие объекты иногда называют «кьюбивано» в честь первого представителя, 1992 QB1. На 2004 год было известно 524 таких объекта[33].
  • Резонансные объекты: образуют орбитальный резонанс 1:2, 2:3, 2:5, 3:4, 3:5, 4:5 или 4:7 с Нептуном. Объекты с резонансом 2:3 называются плутино в честь самого известного представителя — Плутона. На 2005 год известно около 150 плутино и 22 других резонансных объекта. Предполагается, что плутино составляют от 10 до 20 % общей численности объектов пояса Койпера, и, таким образом, общее число плутино диаметром более 100 км составляет более 30 000[33].
  • Рассеянные объекты: имеют большой эксцентриситет орбиты и могут в афелии удаляться от Солнца на несколько сотен астрономических единиц. Их известно около 100, общее число считается примерно равным 10 000[34]. Во многих публикациях объекты рассеянного диска рассматриваются как отдельное семейство транснептуновых объектов, не входящее в пояс Койпера.

Предполагается, что объекты пояса Койпера состоят из льда с небольшими примесями органических веществ, то есть близки к кометному веществу.

Совокупная масса объектов пояса Койпера в сотни раз превышает массу пояса астероидов, однако, как предполагается, существенно уступает массе облака Оорта. Считается, что в поясе Койпера имеется несколько тысяч тел диаметром более 1000 км, около 70000 с диаметром более 100 км и как минимум 450 000 тел диаметром более 50 км[35].

Крупнейшие объекты пояса Койпера

ЗемляХаронХаронПлутонПлутонГидраГидраНиктаНиктаКерберКерберСтиксСтиксДисномияДисномияЭридаЭридаМакемакеМакемакеХаумеаХаумеаХииакаХииакаНамакаНамакаСеднаСедна2007 OR102007 OR10КваварКваварВейвотВейвотОркОркВантВантФайл:EightTNOs-ru.png
Сравнительные размеры крупнейших ТНО и Земли.

Изображения объектов — ссылки на статьи
Номер Название Экваториальный
диаметр (км)
Большая полуось,
а. е.
Перигелий,
а. е.
Афелий,
а. е.
Период обращения
вокруг Солнца (лет)
Открыт Примечания
136199 Эрида 2330+10/−10[36]. 67,84 38,16 97,52 559 2005 i [37]
134340 Плутон 2390[38] 39,45 29,57 49,32 248 1930 i [39] Плутино
136472 Макемаке 1500 +400/−200[40] 45,48 38,22 52,75 307 2005 i
136108 Хаумеа ~1500 43,19 34,83 51,55 284 2005 i[41]
134340 I Харон 1207 ± 3[42] 39,45 29,57 49,32 248 1978 [39]
225088 2007 OR10 ~1535 67,3 33,6 101,0 553 2016 i
50000 Квавар ~1100 43,61 41,93 45,29 288 2002 i
90482 Орк 946,3 +74,1/−72,3[40] 39,22 30,39 48,05 246 2004 i Плутино
55565 2002 AW197 940 47,1 41,0 53,3 323 2002 i
20000 Варуна 874[43] 42,80 40,48 45,13 280 2000 i
28978 Иксион < 822[43] 39,70 30,04 49,36 250 2001 i Плутино
55637 2002 UX25 681 +116/−114[40] 42,6 36,7 48,6 278 2002 i

См. также