Моделювання впливу планет-гігантів на Плутон показало, що без цих планет з їх масами і орбітами карликова планета та інші транснептунові об’єкти не опинилися б на стабільних орбітах.
Про існування ще однієї планети — “Дев’ятої планети”, або “планети Х” – вчені почали говорити в кінці XIX століття, коли вивчили збурення орбіти Нептуна. Виявити гіпотетичний об’єкт вдалося в 1930 році. Після довгих обговорень нову планету назвали Плутоном. У 2006-му його позбавили статусу планети Сонячної системи і перевели в розряд карликових планет, хоча досліджувати не перестали.
Особливо вчених цікавила незвично витягнута орбіта. Як показало нове дослідження, орбіта карликової планети відносно стабільна в масштабі мільярдів років, але схильна до хаотичних збурень і змін на коротких проміжках часу. Результати роботи були опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.
Планети Сонячної системи літають майже по кругових орбітах приблизно в одній площині. На їх тлі Плутон сильно виділяється: його орбіта витягнута і нахилена до площини екліптики (площини орбіти Землі навколо Сонця) на 17,14°. Орбітальний період карликової планети – 248 років, з яких вона 20 років проводить ближче до Сонця, ніж Нептун. Було зроблено чимало спроб розрахувати, як Плутон вийшов на таку дивну траєкторію і як вона змінювалася з часом.
Вчені виявили дві важливі особливості орбіти Плутона, що допомагають карликовій планеті не зіткнутися з Нептуном — “резонанс середнього руху” і “коливання vZLK”. Завдяки “резонансу середнього руху”, коли Плутон і Нептун знаходяться на однаковій відстані від Сонця, різниця між їх довготами досягає майже 90°. Свій перигелій Плутон проходить високо над площиною орбіти Нептуна. Такий резонанс назвали “коливанням vZLK” – на честь шведського астронома Хуго фон Цейпеля, радянського вченого М. Л. Лідова і японського астронома Йосіхіде Кодзаї, які вивчали цей феномен як частину «завдання трьох тіл».
А в кінці 1980-х за допомогою більш потужних комп’ютерів і чисельного моделювання вчені виявили ще одну особливість орбіти Плутона: вона хаотична, але цей хаос обмежений. Невеликі відхилення від початкових значень ведуть до експоненціальної розбіжності результатів розрахунку орбіти через десятки мільйонів років. І все ж, завдяки першим двом особливостям на проміжку в мільярди років орбіта залишається стабільною, незважаючи на всі ознаки хаотичності.
В рамках нового дослідження астрономи вирішили методами чисельного моделювання перевірити поведінку орбіти Плутона протягом наступних п’яти мільярдів років. Вони сподівалися, що це допоможе пояснити, як Плутон вийшов на таку траєкторію. Згідно з “гіпотезою про міграцію планет”, появу “резонансу середнього руху” спровокував під час міграції Нептун. Гіпотеза дозволила припустити, що й інші транснептунові об’єкти знаходяться в «резонансі середнього руху». Спостереження це підтвердили. Але як це сталося?
- Астрономи уточнили масу і горизонт подій чорної діри в центрі Чумацького Шляху
- Сонцю “зробили” рентген: телескоп показав найгарячіші точки
“Нахил орбіти Плутона пов’язують з коливанням vZLK. Тому ми припустили, що якщо розберемося з умовами коливання vZLK у Плутона, то, може, розгадаємо і причину появи нахилу. Почали ми з вивчення впливу кожної з планет-гігантів (Юпітера, Сатурна і Урана) на орбіту Плутона», — пояснює планетолог Рену Малхорта (Renu Malhotra), яка вже давно займається дослідженням орбіт Плутона і Нептуна.
Разом з астрономом Такаші Іто (Takashi Ito) вони змоделювали еволюцію орбіти Плутона протягом наступних п’яти мільярдів років при різних збуреннях орбіт планет-гігантів. Виявилося, для стабільності «коливання vZLK» необхідні всі три гіганти. Але чому ці планети так важливі?
Гравітаційний вплив Юпітера, Сатурна і Урану на Плутон описується 21 параметром. Щоб спростити розрахунки, Малхорта і Іто об’єднали їх в один параметр (J2), який, по суті, рівносильний ефекту «сплющеного Сонця». Потім вони підібрали маси і орбіти планет-гігантів, які забезпечували значення параметра J2, необхідне для виникнення резонансу vZLK. Це вікно параметрів мас і орбіт виявилося досить вузьким: крок убік — і буде хаос. Малхорта порівняла його з “умовами Золотоволоски”, тільки для орбіт.
Виходить, під час ери міграції планет, умови в зовнішніх регіонах Сонячної системи змінювалися так, що багато з транснептунових об’єктів — і Плутон в їх числі — опинилися в резонансі vZLK, необхідному для довгострокової стабільності.
Ще один цікавий висновок: Юпітер надає в основному стабілізуючий вплив на орбіту Плутона, а Уран — дестабілізуючий. Але головне, орбіта Плутона дійсно близька до зони сильного Хаосу.
Результати нової роботи сильно вплинуть на дослідження еволюції руху тіл нашої системи. Вона накладає чисельні обмеження на динаміку розвитку сонячної системи. Рену Малхорта впевнена, що подальше вивчення міграції планет-гігантів дозволить остаточно розібратися в тому, як Плутон і інші тіла опинилися на своїх орбітах.