Астрономы из Принстонского университета и Института перспективных исследований выявили новую структуру в поясе Койпера — удалённой области, населённой ледяными телами, расположенными за орбитой Нептуна. Данное скопление, названное «внутреннее ядро», находится вблизи ранее известной группировки «ядро», и его обнаружение свидетельствует о том, что организация этой части Солнечной системы может быть более сложной, чем предполагалось.
Амир Сираж, Кристофер Ф. Чиба и Скотт Тремейн провели исследование, в котором впервые применили передовой алгоритм поиска закономерностей, обычно используемый для обработки масштабных астрономических данных, к карте орбит объектов пояса Койпера. Это позволило обнаружить новую группу, находящуюся в среднем на расстоянии около 43 астрономических единиц от Солнца, что несколько меньше, чем ядро, расположенное примерно в 44 астрономических единицах. Астрономическая единица – это расстояние от Земли до Солнца, составляющее приблизительно 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 задались вопросом о возможности существования других подобных «районов», которые могли остаться незамеченными. Для ответа на него они решили применить более продвинутый инструмент — компьютерный алгоритм DBSCAN, эффективно выявляющий плотные кластеры данных в фоне «шума». Этот алгоритм ранее использовался, например, для идентификации звёздных скоплений при анализе обширных данных миссии Gaia, однако ранее не применялся для систематического изучения пояса Койпера.
Изучение наблюдаемых орбит напрямую в алгоритм оказалось невозможным. Орбиты этих далёких объектов, которые называют объектами пояса Койпера, не являются постоянными. На них оказывают влияние планеты-гиганты, главным образом Нептун, что приводит к изменениям их орбитальных характеристик с течением времени. Это можно сравнить с попыткой проанализировать распределение автомобилей в городе, зафиксировав их положение и скорость лишь в один момент времени в условиях интенсивного трафика: полученная информация будет неточной.
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 выявило, что внутреннее ядро обладает рядом уникальных характеристик. Оно сконцентрировано в области, охватывающей 43 астрономические единицы, в то время как основное ядро располагается вокруг 44. Эксцентриситет орбит внутреннего ядра демонстрирует более низкие значения, что указывает на их большую круглость по сравнению с эксцентриситетом основного ядра. Диапазон свободного эксцентриситета для внутреннего ядра варьируется от 0,01 до 0,06. Подобно исходному ядру и другим объектам «холодного» пояса Койпера, объекты внутреннего ядра имеют орбиты, которые находятся в непосредственной близости к плоскости Солнечной системы и характеризуются небольшими свободными наклонами.
Одной из наиболее захватывающих особенностей открытия является неопределенность в отношении того, представляют ли ядро и внутреннее ядро собой две отдельные структуры или же являются компонентами единой, более объемной и непрерывной. Алгоритм DBSCAN демонстрирует чувствительность к плотности данных. Незначительная корректировка его параметров, сделанная для повышения гибкости и допуска вариаций при определении кластеров, привела к объединению ядра и внутреннего ядра 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 ядра, дает возможность переосмыслить процессы формирования и развития Солнечной системы. В частности, высокоупорядоченные и близкие к круговым орбиты внутреннего ядра указывают на то, что этот район пояса Койпера подвергся незначительному «динамическому разогреву», то есть не испытывал серьезных 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 доказательства и более детальная характеристика внутреннего ядра будут получены в ближайшие годы. В работе указывается, что будущая обсерватория имени Веры Рубин и её многообзорный обзор Legacy Survey of Space and Time (LSST) в скором времени начнут сканирование небесных тел с невиданной ранее детализацией и регулярностью. Предстоит масштабный астрономический обзор, который, как ожидается, увеличит число известных объектов пояса Койпера, что позволит исследователям точнее установить, представляет ли внутреннее ядро собой обособленную сущность и, в конечном итоге, раскрыть секреты его возникновения.