Согласно результатам моделирования, Плутон и другие объекты за Нептуном не смогли бы занять устойчивые орбиты, если бы не планеты-гиганты, оказывающие на них влияние благодаря своей массе и траекториям движения.
Еще в конце XIX века, при изучении аномалий в орбите Нептуна, появилась гипотеза о существовании дополнительной планеты, получившей название «Девятая планета» или «Планета Х». Предполагаемый объект был найден в 1930 году. После длительного обсуждения новому небесному телу присвоили имя Плутон. В 2006 году его исключили из списка планет Солнечной системы и отнесли к карликовым планетам, однако исследования продолжаются.
Особое внимание ученых привлекла аномально вытянутая орбита. Согласно результатам нового исследования, орбита карликовой планеты остается достаточно устойчивой на протяжении миллиардов лет, однако испытывает воздействие хаотичных возмущений и претерпевает изменения в течение коротких периодов. Результаты работы были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Планеты Солнечной системы вращаются вокруг звезды практически по окружностям, находящимся в одной плоскости. На их фоне Плутон выглядит аномально: его орбита имеет вытянутую форму и наклонена к плоскости эклиптики (плоскости, в которой Земля движется вокруг Солнца) под углом 17,14°. Продолжительность обращения карликовой планеты составляет 248 лет, в течение 20 из них она находится ближе к Солнцу, чем Нептун. Предпринимались многочисленные попытки определить, каким образом Плутон получил такую необычную траекторию и как она изменялась на протяжении времени.
Исследователи определили два ключевых фактора, обеспечивающих безопасное движение Плутона по орбите и предотвращающих столкновение с Нептуном: «резонанс среднего движения» и «колебания vZLK». Вследствие «резонанса среднего движения», возникающего при одинаковом расстоянии Плутона и Нептуна от Солнца, разница в их долготах приближается к 90°. Перигелий Плутона располагается выше плоскости орбиты Нептуна. Этот резонанс получил название «колебание vZLK» — назван в честь шведского астронома Хуго фон Цейпеля, советского ученого М. Л. Лидова и японского астронома Ёсихидэ Кодзаи, поскольку они исследовали это явление в рамках «задачи трех тел».
К концу 1980-х годов, благодаря применению более производительных компьютеров и численного моделирования, ученые выявили дополнительную характеристику орбиты Плутона: она подвержена хаосу, однако этот хаос имеет определенные границы. Незначительные изменения в исходных параметрах приводят к быстрому росту расхождений в расчетах орбиты на протяжении десятков миллионов лет. Тем не менее, благодаря первым двум особенностям, на протяжении миллиардов лет орбита сохраняет стабильность, несмотря на все признаки хаотического поведения.
В ходе нового исследования астрономы решили с помощью численного моделирования изучить эволюцию орбиты Плутона на протяжении последующих пяти миллиардов лет. Это должно помочь объяснить, как Плутон оказался на текущей траектории. Согласно «гипотезе о миграции планет», формирование «резонанса среднего движения» было вызвано перемещением Нептуна. Эта гипотеза предполагает, что и другие транснептуновые объекты также находятся в «резонансе среднего движения». Наблюдения подтвердили это. Но как это могло произойти?
«Наклон орбиты Плутона, вероятно, вызван колебаниями vZLK. Поэтому мы выдвинули гипотезу о том, что понимание принципов колебания vZLK у Плутона, то, может, разгадаем и причину появления наклона. Начали мы с изучения влияния каждой из планет-гигантов (Юпитера, Сатурна и Урана) на орбиту Плутона», — объясняет планетолог Рену Малхорта (Renu Malhotra), которая на протяжении длительного времени изучает траектории Плутона и Нептуна.
Вместе с астрономом Такаши Ито (Takashi Ito) они смоделировали эволюцию орбиты Плутона в течение следующих пяти миллиардов лет при разных возмущениях орбит планет-гигантов. Оказалось, для стабильности «колебания vZLK» для достижения успеха требуется участие всех трех гигантов. Но в чем заключается их значимость?
Влияние Юпитера, Сатурна и Урана на Плутон определяется 21 параметром. Для облегчения вычислений Малхорт и Ито свели их в один (J2), что, по своей сути, эквивалентно эффекту «сплющенного Солнца». После этого были выбраны массы и орбиты планет-гигантов, которые позволяли получить определенное значение параметра J2, необходимое для возникновения резонанса vZLK. Этот диапазон настроек массы и орбит был весьма ограничен: любое отклонение могло привести к непредсказуемым последствиям. Малхорта провела аналогию с требованиями, предъявляемыми к Златовласке, но уже в отношении орбит.
В эпоху миграции планет условия во внешних областях Солнечной системы претерпевали изменения, что привело к возникновению резонанса у ряда транснептуновых объектов, включая Плутон vZLK, необходимом для долгосрочной стабильности.
Интересно, что Юпитер, в основном, стабилизирует орбиту Плутона, а Уран – оказывает дестабилизирующее влияние. Однако, наиболее важным является то, что орбита Плутона расположена вблизи области сильного хаоса.
Новые результаты окажут значительное влияние на исследования эволюции движения тел нашей системы. Они устанавливают количественные ограничения для динамики развития Солнечной системы. Рену Малхорта считает, что дальнейшее изучение миграции планет-гигантов позволит полностью понять, как Плутон и другие объекты оказались на своих орбитах.