Плутон столь значительно отличается от планет-гигантов, что с тех пор, как Клайд Томбо (1906-1997) открыл его в 1930 г., различные гипотезы о происхождении Плутона выдвига­лись много раз.

Известно, что положение Плутона в Солнечной системе про­тиворечит эмпирическому правилу Тициуса-Боде, которое пред­сказывает для него большую полуось орбиты 77 а. е. (при дей­ствительном значении 39,4 а.е.). Для Нептуна тоже нет хоро­шего соответствия: 30,1 а.е. вместо предсказанных 38,8 а.е. Но положение планетных орбит в действительности определяется теорией резонансов, а правило Тициуса-Боде — это ее частный случай. Положение орбит Нептуна и Плутона соответствует 1 : 2 и 1 : 3 относительно Урана и, как результат, 2 : 3 для орбиты Плутона относительно Нептуна.

В 1936 г., когда еще не знали, что Плутон — двойная планета, была предложена гипотеза о том, что когда-то он был одним из спутников Нептуна, но в результате сближения с неизвест­ной планетой оказался выброшен из системы, а другой спутник Нептуна — Тритон — перешел при этом на необычную орбиту с обратным вращением. Предполагалось даже, что исходя из нынешних орбит Плутона и Тритона можно рассчитать массу и орбиту неизвестной планеты.

Плутон действительно похож на спутник Нептуна Тритон. И хотя критики утверждали, что орбиты Нептуна и Плутона вообще никогда не пересекались, идея близкого родства этих тел постепенно распространялась. В 1984 г. были даже выполнены расчеты совместного происхождения Тритона и Плутона, в кото­рых рассматривалась возможность захвата Нептуном массивного протопланетного тела (планетезимали), распавшегося на Тритон и Плутон. Расчеты дали совсем другой результат. Они показали, что если бы такая катастрофа произошла, то вторая, «плутонная» половина, по-видимому, была бы выброшена за пределы Солнечной системы, и что Тритон и Плутон скорее всего имеют независимое происхождение.

Тем не менее внешнее (а возможно, и внутреннее) сход­ство двух этих тел несомненно, если учесть подобие в составе, средней плотности, размерах, особенностях атмосфер и рассто­яниях от Солнца. Другой вопрос — вероятность катастрофы таких масштабов и возможность восстановить ее подробности расчетным путем на основе известных в настоящее время орбит. Хотя подобные катастрофы действительно возможны, происхож­дение Плутона связывается теперь не с Нептуном, а с поясом транснептуновых объектов (поясом Койпера). Формальным признанием «неполноценности» Плутона как планеты стало решение MAC(2006 г.) о введении нового семейства тел Солнечной системы — планет-карликов, прототипом которых и стал Плутон.

Из-за большого эксцентриситета своей орбиты Плутон с 1979 г. по 1999 г. был ближе к Солнцу, чем Нептун. Начиная с 1930 г., когда он был открыт, Плутон все еще находится к северу от эклиптики, и ныне (2007 г.) его высота над нею около 4 а. е.

Еще в 1960-х гг. было установлено, что блеск Плутона из­меняется с периодом 6 сут 9 ч 17 мин. Это значение приняли как период вращения Плутона, и не ошиблись. Но оказалось, что это же значение имеют еще два важных периода, связан­ные с Плутоном. В 1978 г. было доказано, что чуть вытянутая форма изображения Плутона на фотоснимках означает наличие у него спутника. Оба тела имеют близкие размеры, поэтому правильнее называть их двойной планетой или системой двух планет. Тем не менее принято говорить о Плутоне и его спутнике Хароне.

Рис. 1. Фото Плутона (слева) и Харона,
полученное космическим телескопом "Хаббл"
21 февраля 1994 года.

С космического телескопа «Хаббл», для которого не суще­ствует проблемы земной атмосферы, впервые удалось сделать снимок (рис. 1), на котором раздельно видны Плутон и Харон. Они так близки друг к другу (< 1″), что с Земли их вначале удавалось разделить только методом спеклинтерферометрии, но к 2000 г. новые наземные телескопы с активной оптикой позво­лили уверенно разделить Плутон и Харон. Период 6,387 сут ока­зался также периодом их взаимного обращения вокруг общего барицентра. По измеренному периоду и радиусу орбиты удалось измерить общую массу системы Плутон-Харон (1,47 · 10²² кг = 0,0025 М_З). Отношение их масс (1/7) выше, чем у любой другой пары спутник-планета.

Плоскость орбит компонентов повернута к Земле так, что в 1985 г. начались их систематические взаимные затмения (по­крытия), длившиеся по нескольку часов. Полная фаза затмений была в 1988 г., а закончились они в 1991 г. Это позволило не только уточнить размеры компонентов, но даже исследовать распределение альбедо по их поверхности. Следующий период затмений повторится только через 124 года. Уменьшение блеска при затмениях составляло поочередно 4 и 8%, из чего сделан вывод, что поверхность Харона на 30% темнее, чем у Плутона. Ныне с телескопа «Хаббл» уже получены нечеткие еще изображения Плутона.

От Плутона диск Солнца неразличим для невооруженного глаза. Поэтому Солнце там блестит как ослепительная звезда, тускло освещая поверхность. Впрочем, этого освещения должно быть достаточно для телевизионной съемки и даже для чтения.

Спектрометрические измерения уверенно указывают на при­сутствие на Плутоне метана. Но неясно, относятся ли наблюда­ющиеся метановые полосы к атмосфере или к инею на поверхно­сти. Вероятно, иней метана есть, но и существование атмосферы также доказано, причем она даже не очень разреженная. Вначале исследователи исходили из того, что она состоит из метана, и заключали, что атмосфера Плутона тонка, но на пределе возмож­ностей современной аппаратуры ее удается обнаружить. В полу­ченном спектре отражения Плутона имеются полосы у длин волн 620, 790 и 840 нм, которые совпадают с расчетным спектром поглощения метана. Эти полосы, вероятнее всего, относятся к газовой фазе.

Толщина атмосферы Плутона оценивалась всего в 7,3 · 10²² молекул/см² (около 1/3 содержания углекислого газа в столбе атмосферы Марса). Но эта оценка относится только к метану. Напомним: у Тритона и Титана азотные атмосферы. В атмосфере Плутона азота тоже может быть много. Возможно и присутствие аргона. Согласно последним измерениям, атмо­сфера Плутона может быть более плотной, чем предполагалось. В 1988 г. наблюдалось покрытие Плутоном звезды: ее яркость убывала постепенно, в течение нескольких секунд, что несомнен­но указывает на довольно плотную атмосферу.

Глобальные колебания температуры Плутона должны при­водить к накоплению конденсатов метана и азота в полярных шапках зимой и увеличению атмосферной массы летом, в период таяния полярных шапок. Согласно расчетам, уменьшение тем­пературы всего на 2 градуса приводит к конденсации половины атмосферного метана на Плутоне. Поэтому содержание метана в атмосфере должно особенно сильно меняться в зависимости от положения Плутона на орбите, вызывающего сезонные измене­ния температуры.

Если на Земле смена сезонов в основном обязана наклону экватора планеты к ее орбитальной плоскости, то на Плутоне и Хароне к большому наклону экватора добавляется и большой эксцентриситет орбиты (0,25), что изменяет поток падающего на поверхность солнечного тепла на ±56% за 248 лет. Это приводит к глобальному потеплению в перигелии орбиты и к охлаждению в афелии. Плутон прошел перигелий в 1989 г. Вероятно, зна­чительная часть отложений метана и азота перешла при этом с поверхности в атмосферу.

Ось вращения Плутона ориентирована в нашу эпоху так, что в перигелии и афелии он повернут экватором к Солнцу. Это делает сезонные эффекты довольно замысловатыми. В полярных областях Плутона смена сезонов, в целом, такая же, как на Земле — одна зима и одно лето за год, хотя есть различие между полушариями: в южном быстро наступает лето и медленно — зима, а в северном наоборот. Но в экваториальных областях друг друга сменяют четыре сезона: два сезона низкого Солнца и два — высокого, которые можно назвать «летними», но при этом одно лето более теплое, а другое — более прохладное. В период теплого лета температура достигает —220 °С, а в зимний период опускается до —240 °С. Расчет показывает, что в результате прецессии ось Плутона описывает конус вокруг оси его орбиты с периодом в несколько миллионов лет (у Земли этот период всего 26 тыс. лет). Поэтому примерно через миллион лет ось Плутона, подобно земной оси, будет в перигелии и афелии смотреть в сторону Солнца (под углом 33°), и смена сезонов станет проще: в каждом полушарии будет четкая смена зимы и лета, причем в одном из полушарий лето будет «жарче», чем в другом.

Неожиданный результат был получен при расчете структуры атмосферы Плутона. Оказалось, что из-за малого расстояния между Плутоном и Хароном у них должна быть общая атмосфе­ра. Но это требует подтверждения. Если существующие оценки массы Плутона и Харона правильны, то метан в атмосфере Плутона находится на грани диссипации. Для сохранения ме­тановой атмосферы требуются примерно такие параметры: масса Плутона 2,3 · 10²² кг (1/3 массы Луны), радиус 1400 км, средняя температура поверхности не более 52 K, максимальная 62 K. При этом сферическое альбедо должно быть около 0,45, а ускорение свободного падения у поверхности около 0,8 м/с².

В 1988-91 гг. методами астрометрии удалось определить положение центра масс и оценить среднюю плотность Плутона как 1,8-2,1 г/см³, что типично для силикатно-ледяных тел вроде Тритона, Титана или Ганимеда. Плотность Харона получилась равной 1,2-1,3 г/см³. Отсюда следовало, что состав Плутона — это каменные породы и водяной лед, а Харон — это аналог ледя­ных спутников Сатурна. Такое различие должно было указывать на независимое происхождение этих небесных тел. Однако позже были получены иные оценки: расстояние между центрами ком­понентов 19640 км, диаметр Плутона 2300 км, диаметр Харона 1200 км. Полная масса системы 1,46 · 10²² кг, из которых на Ха­рон приходится около 10%. Отсюда плотность Харона 1,7 г/см³, что заметно ближе к плотности Плутона. Таким образом, вопрос о происхождении Плутона и Харона остается открытым до более детального их исследования.

Источники

См. также