В поясе Койпера найдена необычная астрономическая структура.

Новости МирТесен

Группа астрономов из Принстонского университета и Института перспективных исследований выявила новую группировку объектов в поясе Койпера – удалённом скоплении ледяных тел, находящемся за орбитой Нептуна. Данная структура, названная «внутреннее ядро», находится вблизи ранее известной группировки под названием «ядро», и её обнаружение свидетельствует о том, что устройство этой части Солнечной системы может оказаться более сложным, чем предполагалось.

Амир Сираж, Кристофер Ф. Чиба и Скотт Тремейн провели исследование, в котором впервые применили передовой алгоритм поиска закономерностей, который обычно используется для обработки обширных астрономических данных, к карте орбит объектов пояса Койпера. Это позволило обнаружить новую группу, находящуюся на среднем расстоянии приблизительно в 43 астрономических единицах от Солнца, что несколько меньше, чем ядро, расположенное в районе 44 астрономических единицах. Следует отметить, что одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца, которое составляет порядка 150 миллионов километров.

Первое ядро было идентифицировано в 2011 году астрономом Жан-Марком Пети и его коллегами. Тогда исследователи, анализируя данные об орбитах, выявили необычное скопление объектов, характеризующихся круговыми и слабонаклонными траекториями, расположенных примерно на расстоянии 44 астрономических единиц. Обнаружение напоминало визуальное восприятие густонаселённого района при просмотре карты.

Сираж и его соавторы поставили вопрос о возможности существования других, подобных «районов», которые могли пройти незамеченными. Для ответа на него они выбрали более продвинутый метод – компьютерный алгоритм DBSCAN, эффективно выявляющий плотные кластеры данных на фоне разрозненных значений. Этот алгоритм ранее использовался, например, для определения звёздных скоплений при анализе данных миссии Gaia, однако ранее не применялся для систематического изучения пояса Койпера.

Изучение наблюдаемых орбит напрямую не представлялось возможным для исследователей. Орбиты этих далёких объектов, относящихся к поясу Койпера, не являются постоянными. На них оказывают влияние гравитационные возмущения со стороны планет-гигантов, главным образом Нептуна, что приводит к изменению их орбитальных параметров с течением времени. Это сопоставимо с попыткой определить распределение автомобилей в городе, фиксируя их положение и скорость лишь в один момент времени в условиях интенсивного трафика: мы получим неточную информацию.

Для решения этой задачи ученые определили так называемые «свободные орбитальные элементы». Если говорить простым языком, то они отделили движение каждого объекта от гравитационного воздействия планет. Исключив эти возмущения, исследователи получили более ясное и устойчивое представление о первоначальных орбитах тел пояса Койпера – о том, что наиболее точно отражает их изначальное распределение. Этот этап оказался решающим для обнаружения древних структур, которые иначе остались бы незамеченными.

Используя базу данных, содержащую сведения о 1650 классических объектов пояса Койпера, орбиты которых характеризуются стабильностью и умеренным эксцентриситетом, специалисты вычислили для каждого объекта свободное среднее расстояние, свободный эксцентриситет и свободное наклонение. Полученные три значения были использованы в качестве координат в трехмерном пространстве для запуска алгоритма DBSCAN.

Одним из недостатков алгоритмов данного типа является зависимость их результатов от выбранных параметров. Чтобы исключить возможность, что полученные данные окажутся случайным совпадением, вызванным определенной настройкой, исследователи провели специальный анализ. Они поставили конкретную задачу: способен ли алгоритм воспроизвести известное ядро? И если это возможно, обнаруживает ли он при этом еще и другую группу?

В обоих случаях ответ был положительным. DBSCAN последовательно определял группу, соответствующую характеристикам ранее выявленного ядра, для широкого спектра допустимых параметров. При этом, что особенно важно, во всех случаях DBSCAN обнаруживал дополнительный кластер, расположенный на расстоянии примерно 43 астрономических единиц. Авторы назвали эту дополнительную группу внутренним ядром.

Исследование показало, что внутреннее ядро обладает рядом уникальных характеристик. Оно располагается приблизительно на расстоянии 43 астрономических единиц от Солнца, в то время как основное ядро находится на расстоянии 44 астрономических единиц. Эксцентриситет орбит внутреннего ядра менее выражен, то есть они более близкие к круговым, чем у основного ядра. Значения свободного эксцентриситета для внутреннего ядра варьируются от 0,01 до 0,06. Подобно исходному ядру и другим объектам «холодного» пояса Койпера, объекты внутреннего ядра имеют орбиты, которые практически лежат в плоскости Солнечной системы, а также характеризуются небольшими значениями свободного наклона.

Одной из наиболее захватывающих особенностей этого открытия является неопределенность в отношении того, представляют ли ядро и внутреннее ядро собой две действительно обособленные структуры или же они являются элементами единой, более обширной и непрерывной системы. Алгоритм DBSCAN демонстрирует высокую чувствительность к плотности данных. При незначительной корректировке его настроек, направленной на увеличение допустимости вариаций при определении кластеров, ядро и внутреннее ядро объединились в одну крупную группировку.

Какие факторы могут быть причиной этой неопределённости? Авторы предлагают значимую зацепку: область между 43 и 44 астрономическими единицами, кажущаяся пустой, может быть связана с «резонансом среднего движения» с Нептуном, расположенным на отметке 43,7 астрономической единицы. Резонансы – это области пространства, где гравитационное воздействие планеты постоянно отклоняет орбиты тел, не позволяя им сохранять устойчивые траектории и, в конечном итоге, приводя к их покиданию этой области. Резонанс 7:4 с Нептуном находится между двумя идентифицированными группами объектов и действует как невидимая преграда. Он, подобно невидимому инструменту, «очищает» пространство вокруг себя, создавая разрыв в едином скоплении тел. Вследствие этой бреши возникает иллюзия, что перед нами два отдельных скопления, хотя, вероятно, это одна большая группа, разделенная гравитационным барьером.

Следовательно, можно предложить два варианта объяснения. Авторы подчеркивают, что в результате получено два альтернативных объяснительных подхода, которые сложно различить: либо ядро оказывается значительно больше, чем предполагалось ранее, либо в холодном классическом поясе Койпера присутствует дополнительная, отличная структура. В любом случае, внутреннее ядро, как оно представлено здесь, выступает в качестве этого дополнительного элемента. Одним из аргументов, указывающих на возможность их различия, является то, что их распределения эксцентриситета существенно отличаются: внутреннее ядро статистически «холоднее».

Изучение внутреннего ядра, будь то самостоятельный объект или часть основного ядра, дает возможность переосмыслить процессы формирования и эволюции Солнечной системы. В частности, высокоорганизованные и практически круговые орбиты внутреннего ядра указывают на то, что этот участок пояса Койпера подвергся незначительному «динамическому разогреву», то есть не испытывал значительных возмущений в прошлом.

По мнению авторов, «скачкообразная миграция» Нептуна – гипотеза, согласно которой планета перемещалась на большее расстояние от Солнца посредством ряда нестабильных перемещений – может служить убедительным объяснением формирования как ядра, так и его внутреннего ядра. В качестве альтернативной гипотезы, предполагающей, что эти фрагменты являются обломками одного крупного древнего столкновения, они считают ее маловероятной, учитывая их ограниченное распределение по среднему расстоянию.

Вероятнее всего, дополнительные подтверждения и более детальная характеристика внутреннего ядра будут получены в ближайшие годы. В работе говорится, что будущая обсерватория имени Веры Рубин и её многообзорный проект Legacy Survey of Space and Time (LSST) в скором времени начнут наблюдение за небом с невиданной ранее детализацией и регулярностью. По оценкам специалистов, этот масштабный астрономический обзор позволит многократно увеличить число известных объектов пояса Койпера, что даст возможность более точно установить, представляет ли внутреннее ядро собой самостоятельный объект, и, как следствие, раскрыть секрет его возникновения.