Koiperio juosta. Kas tai?

Astronomas Davidas Jewittas pasakoja apie pirmųjų Koiperio juostos objektų atradimą, Oorto debesį ir kometų kilmę.

Koiperio juosta – Saulės sistemos regionas, prasidedantis už Neptūno. Tačiau kur jis baigiasi, mokslininkai nežino iki šiol. Nežinome, kas vyksta prie Koiperio juostos išorinės ribos, tačiau žinome, kad ji labai toli: kai kurių Koiperio juostos objektų orbitos neįprastos, 2000 kartų didesnės už atstumą nuo Žemė iki Saulės.

Koiperio juostos atradimas

Koiperio juostos atradimo niekas neprognozavo. Niekas nerašė darbo, kuriame būtų išdėstyta: „Ieškokite čia štai tokio ryškumo, štai tokio dydžio ir štai tiek objektų“. Tačiau būta spėjimų. Garsiausias – olandų kilmės amerikiečio astronomo Džerardo Koiperio. 1951 metais jis parašė darbą, kuriame stebėjosi, kad Saulės sistema baigiasi sulig Plutonu, ir, kad ji, gali būti, tęsiasi ir toliau. Dabar skaitytojams tai atrodo logiška ir savaime suprantama. Tačiau Koiperis dar parašė: „Jei Saulės sistemos paribyje būtų mažų objektų, Plutono gravitacija (kuris, mūsų manymu, yra toks pat masyvus dangaus kūnas, kaip ir Žemė, arba didesnis) būtų seniausiai destabilizavęs šių objektų orbitas, o pats regionas būtų tuščias“. Dėl Plutono Koiperis klydo: jis ne toks masyvus, jo masė sudaro vos 0,2 % Žemė masės taip stipriai aplinkinių dangaus kūnų neveikia. Ironiška, kad Koiperis nenumatė to, kas vėliau buvo pavadinta jo garbei Koiperio juosta. Jis spėjo, kad jos ten nėra. Tai Stiglerio dėsnio pavyzdys: „Joks mokslinis atradimas nebuvo pavadintas atradėjo garbei“. Stiglerio dėsnį atrado Robertas Mertonas, ir tai patvirtina šį teiginį.

Iki Koiperio mokslininkai irgi iškeldavo įvairių hipotezių. Vieną iš jų 1943 metais, vykstant II Pasauliniam karui, iškėlė airis Kennethas Edgeworthas. Savo straipsnyje jis parašė sakinį: „Gali būti, kad Saulės sistemos pakraštyje yra dangaus kūnų, kurie pernelyg blyškūs, kad galėtume juos išvysti (jis pavadino juos klasteriais), ir, galbūt jie susiję su kometomis“. Tačiau tai mokslinė prielaida, ji niekuo neparemta, ir su ja nieko negalima nuveikti. Tai primena Nostradamo katrenus, XVI amžiuje atsitiktinai numačiusius Antrąjį Pasaulinį karą ir J. F. Kenedžio nužudymą. Jei rašote ką nors bendromis frazėmis, aptakiai, ateities kartoms lieka erdvės apmąstymams. Kas nors gali nuspręsti, kad kad žinojote, ką kalbate, nors iš tiesų taip nebuvo.

Kai pradėjome ieškoti Koiperio juostos 1986 metais, kompiuteriai buvo tokie silpni, kad Saulės sistemos dinamikos suskaičiuoti niekas negalėjo. Reikėjo naudoti apytiksles analitines polinomų reikšmes, o tai labai sudėtinga. Tuomet dar nebuvo itin domimasi trumpaperiodžių kometų kilme, mat jų spėjamas šaltinis – Oorto debesis – dar nebuvo rastas. Urugvajietis astronomas Julio Ángel Fernández 1980 metais parašė straipsnį, kuriame dėstoma prielaida, kad už Neptūno gali egzistuoti sritis, iš kurios atlekia trumpaperiodės kometos. Šis straipsnis jau priminė mokslinę hipotezę. Kitaip, nei Koiperio ir Edgewortho darbai, žiūrint retrospektyviai, ji atrodo įtikima. Tačiau mokslininkų, įskaitant mus, užsiimti paieškomis ji neskatino. Skamba nekaip, tačiau tai buvo tiesiog dar vienas straipsnis.

Pirmieji Koiperio juostos objektai

Mokslinis metodas dažnai apibūdinamas kaip prielaidos, įrodytos stebėjimais. Tačiau moksle dažnai būna kitaip. Astronomijoje praktiškai niekas neatrandama, remiantis prielaidomis ir beveik visa, kas svarbiausia, atrandama atsitiktinai. Teorijos dažnai kuriamos, siekiant aprašyti naujus pastebėtus dalykus. Nedažnai atsitinka taip, kad iškelta prielaida būna patvirtinama stebėjimais. Mes paprasčiausiais dar nesame pasiekę tokio lygio. Kaip bebūtų, tačiau be tinkamo modelio 1985 metais nebūtume žinoję, kad faktas, jog Saulės sistemos paribiai tušti, skamba keistai. Už Saturno buvo Uranas, Neptūnas ir Plutonas – trys objektai. O tuo tarpu vidinėje Saulės sistemos dalyje pilna visokiausių objektų: asteroidų, kometų, kitų planetų. Ir tai buvo itin keista: kodėl Saulės sistemos pakraščiai turi būti tušti, o viduje pilna objektų? Štai todėl nutarėme atlikti tyrimą. Jie tušti todėl, kad visi objektai labai toli, ar todėl, kad tolimi objektai pernelyg blankūs, kad juos galėtume pastebėti. Negalvojome apie Koiperio juostą, negalvojome apie tai, kas yra už Neptūno, mes buvome laimingi, kad bent jau žinome, kas yra už Saturno, ir daugiau apie nieką nebuvo kalbos. Galiausiai pradėjome tyrimą, kurį pavadinome „lėtų objektų tyrimas“. Juo buvo siekta rasti ką nors už Saturno.

Saulės sistemos planetos, 2013 m.
©wikipedia.org

Paaiškėjo, kad nenaudojant ypatingos geometrijos teleskopo nukreipimui tiesiai Saulės kryptimi, labai sudėtinga suskaičiuoti atstumą iki objekto. Kai tai darote, objekto judėjimo dangumi greitis dėl paralakso būna atvirkščiai proporcingas atstumui iki jo. Tai galima palyginti su dviem lėktuvais: aukščiau skrendantis 50 mylių per valandą greičiu, dangų kerta ilgiau, nei tokiu pačiu greičiu bet žemiau skrendantis. Galime išmatuoti atstumą, remdamiesi greičiu. Mes naudojome šią paprastą stebėjimo taktiką su Saule, o paskui, naudodami paralaksą, apskaičiuodavome atstumą. Štai todėl vadinome tai „lėtų objektų tyrimu“. Ieškojome lėtai judančių objektų, nes tokie objektai tikriausiai labai tolimi.

Kelis metus neaptikome nieko įdomaus. Aptikome daug objektų, tokių, kaip asteroidai Saulės sistemos viduje, tačiau toliau Saturno neaptikome nieko, o būtent šito ieškojome. Tyrimas truko maždaug 5 metus ir nieko vertingo neradome iki pat 1992 metų. O paskui radome objektą. Jis buvo ne tiesiog už Saturno orbitos – jis buvo toli už žinomo Saulės sistemos regiono ribų. Objektą pavadinome 1992 QB1. Tai buvo tolimiausias kada nors stebėtas Saulės sistemos objektas.

Tai jaudino. Mat, kol nerandi pirmo objekto, nežinai, ar tai, ką darai nėra tuščias laiko švaistymas, nežinai, ar esi teisinga kryptimi ieškai. Netgi nežinai, ar yra ten ką ieškoti. Bet vos randi vieną objektą, visos dvejonės dingsta. Tai taip paveikia visą darbą, mintis, kad įveiki visus psichologinius barjerus. Tai, kas atrodė neįmanoma, vos tai atlikus, tampa įprastu užsiėmimu. Dirbau kartu su Jane Luu, tuo metu studijavusia postdoktorantūroje. Radę 1992 QB1, pradėjome rasti ir kitus objektus. Per kelis metus radome jų 40 ar 50. Prie žaidimo prisijungė ir kiti mokslininkai, ir 2016 metų viduryje žinojome apie beveik 2 000 objektų. Tai labai daug.

Koiperio juostos objektas

Koiperio juostos objektai ir planetų migracija

Netrukus padarėme daug nuostabių atradimų, susijusių su Koiperio juosta. Pavyzdžiui, aptikome, kad yra skirtingos Koiperio juostos objektų rūšys. Suteikėme jiems tokius pavadinimus: klasikiniai, rezonansiniai, išsklaidytieji ir atskirieji. Vieni nuo kitų jie skiriasi pagal dinamiką – dažniausiai dėl Neptūno gravitacinės kontrolės. Neptūnas yra gan masyvi planeta (16 kartų masyvesnė už Žemę), skriejanti nelabai toli nuo kai kurių Koiperio juostos objektų. Neptūnas struktūrizuoja Koiperio juostą savo gravitacija. Įrodėme, kad Plutonas – tiesiog vienas iš didelių Koiperio juostos objektų, nustatėme dydžių ir masių išsidėstymą Koiperio juostoje ir supratome, kad tai – tik ledkalnio viršūnė: pagal jau aptiktus objektus nustatėme, kad yra dar 100 000 Koiperio juostos objektų didesnių, nei 100 kilometrų ir milijardas objektų, didesnių, nei 1 km. Nuostabu, kad apie juos anksčiau nieko nežinota.

Nors Koiperio juostoje objektų labai daug, išsiaiškinome, kad jų masė gan maža ir tėra ~10 % Žemės masės. Tai buvo paslaptis: kaip šie kūnai formuojasi, jeigu jų masė tokia maža? Dideliame Koiperio juostos tūryje labai mažai medžiagos. Šie kūnai auga itin lėtai. Koiperio juostos mažos masės modeliai tapo karšta tema. Jie rėmėsi idėja, kad pradėjusi formuotis, Koiperio juosta buvo daug masyvesnė, – 20 ar 40 kartų masyvesnė už Žemę. Tačiau didžioji masės dalis buvo prarasta.

Orbitinis rezonansas

Masės praradimo supratimo raktas glūdėjo kitame pastebėjime – Koiperio juostos objektai „pririša“ Neptūno orbitinis rezonansas. Tai reiškia, kad jų siderinis periodas, padalintas iš Neptūno siderinio periodo, – nedideli sveiki skaičiai. Pavyzdžiui, kai rezonansas nuo 2 iki 3, Neptūnas apie Saulę triskart apskrieja per tiek pat laiko, kai Koiperio juostos objektai spėja apie Saulę apskrieti tik 2 kartus. Tai reiškia, kad Neptūno traukos jėga veikia toje orbitoje esančius kūnus, ir panašiai, kaip įsupuojame supynes, ilgainiui ši jėga kaupiasi.

Šį atradimą dešimtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, netrukus po Koiperio juostos atradimo, padarė Renu Malhotra iš Arizonos. Pirmieji rezonansinių objektų stebėjimai ir leido sudaryti šį nuostabų modelį. Tačiau neaišku, kaip tuos objektus į rezonansą įtraukti. Tiesiog išmėčius Koiperio juostos objektus, į tokį rezonansą, kokį stebime, paklius nedaug objektų. Renu paaiškino ir tai. Ji rėmėsi Julio A. Fernández ir Wing-Huen Ip darbais, kuriuose kalbama apie planetų migraciją. Planetų orbitos ne visada buvo tokios, kaip dabar: Neptūnas, pavyzdžiui, iš pradžių sukosi arčiau Saulės, o po to nuo jos traukėsi.

O tolstančio Neptūno gravitacinis rezonansas stumdė ir rinko Koiperio juostos objektus. Tai panašu į tai, kaip kaupiasi sniegas stumiamame kastuve. Kai šis rezonansas kirto Koiperio juostą, objektai prie jo „prilipdavo“. Tai paaiškina, kodėl tiek daug objektų orbitiniame rezonanse. Tai vienintelis paaiškinimas, kodėl rezonanse su Neptūnu tiek daug kūnų. Koiperio juosta rodo, kad planetos susiformavo ne ten, kur dabar jas matome. Jos migruoja. Įtaka Saulės sistemai

Koiperio juosta smarkiai paveikė Saulės sistemos atsiradimo ir dinamikos supratimą. Lig tol Saulės sistema priminė laikrodį: planetų rinkinys, paprastai, stabiliai ir netgi nuobodžiai, besisukantis apie Saulę. Koiperio juostos, o ypač – rezonansinių objektų, dėl kurių planetos migruoja, aptikimas suteikė neregėtas galimybes. Jei planetos judėjo į dabartines savo vietas, gali būti, kad jos perėjo per viena kitos rezonansus. O jei taip, jie sukrėtė Saulės sistemą ir vyko įvairūs chaotiški procesai. Kai kuriuose modeliuose 99,9 % Koiperio juostos objektų galėjo būti prarasti dėl stipraus Saulės sistemos sukrėtimo, įvykusio dėl Jupiterio ir Saturno sąveikos, vykusios per planetų migraciją.

Supratimas, kad Koiperio juostos struktūra priklauso nuo planetų migracijos, pakeitė Saulės sistemos tyrinėjimų kryptį. Savybės, kurių niekas nesitikėjo ir niekas neprognozavo, pasirodė esančios itin svarbios, stengiantis suprasti savo vietą šioje sistemoje. Koiperio juostos įtaka Saulės sistemos ir jos formavimosi evoliucijos tyrinėjimams buvo milžiniška. Dabartinis mūsų supratimas apie Saulės sistemos architektūros atsiradimą labai skiriasi nuo to, ką manėme anksčiau. Ir dabar suprantame, kad Saulės sistema veikia toli gražu ne taip, kaip laikrodis. Koiperio juostos objektas. Dailininko vaizdavimas. ©NASA

Koiperio juosta ir Oorto debesis

Kometos paprastai būna ne itin didelės (~1 km skersmens), ir praranda masę (iš jos formuojasi uodega). Galime paskaičiuoti, kaip ilgai kometa gali prarasti savo masę. Ir tai vyksta nelabai ilgai – apie 10 000 metų. Kometos branduolys negali būti tokio pat amžiaus, kaip Saulės sistema, kuriai jau 4,5 mlrd metų. Veikiausiai Saulės sistemoje jos atsirado gan neseniai. Kitaip tariant, jos tik atsiranda Saulės sistemoje kažkur netoli nuo Žemės ir pradeda garuoti. Kyla klausimas, iš kur jos randasi.

Į šį klausimą yra du atsakymai. Pirmąjį šeštajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje suformulavo olandų astronomas Janas Hendrikas Oortas. Jis išsiaiškino, kad ilgo periodo (>200 metų) kometų orbita yra atsitiktinių krypčių labai didelės elipsės formos. Iš įvairių pusių jų atskrieja maždaug po lygiai: iš šiaurinio pusrutulio, pietinio, iš sferinio ir izotropinio šaltinio. Sferinis šaltinis vadinamas Oorto debesimi. Jis panašus į Saulės sistemą supantį didelį bičių spiečių. Jis gigantiškas, 50 000–70 000 kartų didesnis už atstumą nuo Saulės iki Žemės. Tai ilgo periodo kometų šaltinis. Mes nematome objektų Oorto debesyje, nes jie pernelyg blyškus, kad galėtume juos įžiūrėti savo teleskopais. Visos žinios apie Oorto debesį, taip pat ir jo egzistavimo įrodymai, buvo gauti iš kometų, kurias iš Oorto debesies iš judino praskriejančių žvaigždžių gravitacija.

Kometa ISON skrieja pro Venerą. Kometa atskriejo iš Oorto debesies. 2013 m. lapkritis
© NASA, „Marshall Space Flight Center“

Tuo tarpu trumpo periodo kometų (periodas <200 metų) orbita gan maža ir apvali. Jos išsidėsčiusios ne atsitiktine tvarka, o susitelkusios Saulės sistemos orbitinėje plokštumoje. Klausimas lieka tas pats: iš kur jos imasi? Oortas sakė, kad jos atlekia iš Oorto debesies, tačiau Jupiteris jas pagavo ir pakeitė orbitas taip, kad jos suformavo diską. Ši idėja gyvavo nuo šeštojo iki devintojo dešimtmečio. Tačiau paaiškėjo, kad Jupiteriui būtų sunku pastverti tiek ilgaperiodžių kometų ir perdirbti jas į trumpaperiodes.

Koiperio juosta, kurią žinome, Saulės sistema tiekia trumpo periodo kometas. O kadangi juosta gerokai arčiau (50 a.v, o ne 50 000 a. v ), galime jas stebėti, o ne tiesiog arčiau Žemės atskriejusius objektus. Ir tai dar viena priežastis, kodėl astronomus taip domina Koiperio juosta.

Koiperio juosta ir kitos žvaigždžių sistemos

Dulkių diskai – kitų žvaigždžių Koiperio juostos analogai. Aplink daugelį tokio tipo, kaip Saulė, žvaigždžių skrieja dulkių diskai, kuriuose dulkių dalelės ilgai išlikti negali. Galime paskaičiuoti kiek laiko tos dulkės egzistuoja, ir šis laikas nėra labai ilgas. Tai, kad žvaigždė vis dar turi dulkių (ar likutinį dulkių) diską, rodo, kad dulkės randasi iš kažkokio šaltinio. Koiperio juostos modelis – geriausias mums žinomas dulkių šaltinis. vienintelis skirtumas – dauguma likutinių diskų masyvesni už Koiperio juostą. Tai dera su prielaida, kad Koiperio juosta anksčiau buvo gerokai masyvesnė, nei dabar. Pažvelgus į masyvius likutinius diskus, galima suprasti, kaip atrodė ankstyvoji Saulės sistema.

Būsimos tyrimų kryptys

Koiperio juostos aptikimas suteikė mums geresnį supratimą apie Saulės sistemos sandarą, tačiau tolimųjų jos dalių vis dar nematome. Negalime stebėti Oorto debesies, nes jis pernelyg toli ir jo objektai nepakankamai ryškūs. Net ir vidines Koiperio juostos dalis aptikti ne taip paprasta. Spėjame, kad Koiperio juosta maišosi su Oorto debesimi, ir norėtume žinoti, kur ir kaip tai vyksta. Norėtume detaliau išmatuoti juostos orbitinę struktūrą. Taip galėtume sustiprinti spėliones apie Saulės sistemos kilmę ir evoliuciją.

Pavyzdžiui, rezonansinis užgrobimas, jei planetos migruoja lėtai ir tolygiai, vyksta kitaip, nei tada, jei greitai ir šuoliais. Koiperio juostos objektų orbitų matavimai gali mums parodyti, kaip migravo Neptūnas, ir, gal net kaip ir kaip ilgai jis tai darė. Mes sukūrėme modelius, kurie adaptuojami prie naujų Saulės sistemos stebėjimų, tačiau kai kurios ypatybės taip ir lieka neaiškios. išorinio klasikinės Koiperio juostos krašto dabartiniai modeliai nenumato. Būsimi stebėjimai gali padėti išspręsti šią problemą, bet svarbiau sukurti naujus modelius, kurie pagerintų bendrą Saulės sistemos sandaros supratimą. Galiausiai, norėtume ištirti Koiperio juostą kosminiu zondu. Deja, egzistuojančios raketų technologijos tokiai užduočiai nėra tinkamos. Artimiausius dešimtmečius progresas vyks, atliekant stebėjimus antžeminiais ir kosminiais teleskopais.