Пояс Койпера

Пояс Койпера, пояс Еджворта—Койпера — область Сонячної системи за орбітою Нептуна, що містить велику кількість малих крижаних і кам'янистих тіл, карликових планет, кометних ядер та інших транснептунових об'єктів.

Основна частина поясу розташована приблизно на відстані 30–50 астрономічних одиниць (а. о.) від Сонця; зовнішня межа основного поясу переходить у динамічно споріднені області транснептунового простору. Пояс Койпера є залишком речовини протопланетного диска, яка не була включена до складу великих планет, і важливим джерелом інформації про формування та ранню динамічну еволюцію Сонячної системи.

Вступ

Пояс Койпера належить до зовнішньої частини Сонячної системи й простягається за орбітою Нептуна. На відміну від головного поясу астероїдів між Марсом і Юпітером, він складається переважно з тіл, багатих на леткі речовини у вигляді льодів води, азоту, метану та інших сполук, а також із силікатної та органічної речовини.

Пояс є одним із найбільших резервуарів малих тіл Сонячної системи. За сучасними оцінками, в ньому можуть перебувати сотні тисяч об'єктів діаметром понад 100 км, тоді як кількість дрібніших тіл може бути на багато порядків більшою. Спостережено й каталогізовано лише невелику частину цієї популяції.

Найвідомішим об'єктом поясу є Плутон, який 2006 р. Міжнародний астрономічний союз класифікував як карликову планету. До великих об'єктів поясу належать також Хаумеа і Макемаке. Частина інших великих транснептунових тіл, зокрема Квавар і Орк, розглядається як кандидати в карликові планети.

Пояс Койпера має принципове значення для планетології, оскільки його об'єкти в багатьох випадках зберегли речовину та риси орбітальної структури, що сформувалися на ранніх етапах існування Сонячної системи.

Етимологія та історія дослідження

Назву «пояс Койпера» утворено від прізвища нідерландсько-американського астронома Джерарда Пітера Койпера (Gerard Peter Kuiper, 1905–1973, Нідерланди, США).

Однак історія концепції поясу складніша. Ще Кеннет Еджворт (Kenneth Essex Edgeworth, 1880–1972, Ірландія) у 1943 р. висловив припущення, що за орбітою Нептуна можуть зберігатися численні невеликі тіла, а 1949 р. розвинув цю ідею в праці про походження та еволюцію Сонячної системи. Він пов'язував зовнішню частину протопланетного диска з існуванням численних малих тіл і комет.

Джерард Койпер у 1951 р. розглянув питання про існування тіл за орбітою Нептуна. Уявлення того часу про масу Плутона та динамічний вплив планет привели його до висновків, які не збігаються із сучасною моделлю поясу. Проте саме ім'я Койпера згодом закріпилося за цією областю Сонячної системи.

Плутон, відкритий Клайдом Томбо (Clyde W. Tombaugh, 1906–1997, США) 1930 р., нині розглядають як перший відкритий об'єкт поясу Койпера, хоча в момент відкриття його вважали планетою.

Понад 60 років після відкриття Плутона пояс залишався гіпотетичним. Переломним стало відкриття 1992 р. об'єкта 1992 QB1, нині (15760) Альбіон, американськими астрономами Девідом Джевіттом (David C. Jewitt, нар. 1951, США) і Джейн Лу (Jane X. Luu, нар. 1963, В'єтнам, США). Спостереження були виконані на 2,2-метровому телескопі Гавайського університету на Мауна-Кеа. 1992 QB1 став першим підтвердженим транснептуновим об'єктом після Плутона і першим об'єктом, що безпосередньо засвідчив існування передбаченої популяції тіл.

Після цього кількість відомих транснептунових об'єктів швидко зросла. У 2000-х було відкрито низку великих тіл, зокрема Квавар, Седну, Ериду, Гаумеа та Макемаке. Відкриття Ериди, розмір якої близький до розміру Плутона, стало одним із чинників перегляду поняття «планета» та прийняття Міжнародним астрономічним союзом нового визначення 2006 р.

Українські дослідження. Важливий внесок у дослідження фізичних властивостей транснептунових об’єктів зробили українські астрономи І. М. Бельська та Ю. Г. Шкуратов (Харків). І. М. Бельська досліджувала фотометричні й поляриметричні характеристики тіл поясу Койпера та кентаврів, їхні поверхневі властивості й таксономію; її докторська дисертація була безпосередньо присвячена оптичним властивостям цих об’єктів. Ю. Г. Шкуратов розвивав методи фотометричного та поляриметричного дистанційного дослідження поверхонь малих тіл Сонячної системи. Ці роботи сприяли уточненню уявлень про склад і фізичний стан поверхонь транснептунових об’єктів.

Положення та розміри

Пояс Койпера розташований за орбітою Нептуна, середня відстань якого від Сонця становить близько 30 а. о. Основна, найбільш населена частина поясу простягається приблизно до 50 а. о.; у ширшому сенсі до транснептунової популяції відносять об'єкти на значно більших відстанях. Астрономічна одиниця (а. о.) — середня відстань від Землі до Сонця, приблизно 149,6 млн км.

Таким чином, основна частина поясу Койпера розташована приблизно на відстані 4,5–7,5 млрд км від Сонця.

Пояс не має чіткої геометричної зовнішньої межі. Його структура визначається насамперед динамічним впливом Нептуна та інших планет-гігантів. На зовнішньому краї основного поясу розташовані області, де орбіти тіл стають нестабільнішими або переходять у інші динамічні популяції.

Склад і фізичні властивості

Об'єкти поясу Койпера складаються переважно з: водяного льоду; замерзлих летких речовин; силікатної та металевої речовини; органічних сполук; складних вуглецевмісних речовин.

На поверхнях великих тіл виявлено або припускається наявність льодів води, метану, азоту, чадного газу та інших летких компонентів. Співвідношення цих речовин залежить від розмірів тіла, його орбіти, історії нагрівання та зіткнень.

Через малу відстань від Сонця порівняно з хмарою Оорта температура тіл поясу Койпера дуже низька. Більшість із них перебуває у стані, близькому до кріогенного, хоча великі тіла могли зазнавати внутрішньої диференціації та геологічної активності.

Колір поверхні багатьох об'єктів змінюється від нейтрального до червонуватого. Червоне забарвлення пов'язують із дією сонячного та космічного випромінювання на поверхневу органічну речовину.

Орбітальна та динамічна структура

Пояс Койпера не є однорідним кільцем. У ньому виділяють кілька динамічних популяцій.

Класичні об'єкти

Класичні об'єкти поясу Койпера рухаються навколо Сонця без перебування в сильному орбітальному резонансі з Нептуном. Їх умовно поділяють на динамічно «холодну» і «гарячу» популяції.

«Холодна» популяція характеризується малими нахилами та ексцентриситетами орбіт, тоді як «гаряча» має ширший діапазон нахилів та ексцентриситетів. Назви «холодна» і «гаряча» стосуються не температури, а динамічної збудженості орбіт.

Резонансні об'єкти

Резонансні транснептунові об'єкти перебувають у гравітаційному орбітальному резонансі з Нептуном. Найвідомішою є група об'єктів у резонансі 2:3 з Нептуном. До неї належить Плутон.

Резонанс 2:3 означає, що за час, коли Нептун здійснює три оберти навколо Сонця, об'єкт здійснює два.

Орбітальні резонанси є одним із найважливіших проявів гравітаційного впливу Нептуна на пояс Койпера.

Розсіяний диск

Розсіяний диск — динамічно споріднена з поясом Койпера популяція транснептунових об'єктів із великими ексцентриситетами та нахилами орбіт. Вона простягається далеко за межі основної частини поясу; окремі об'єкти мають перигелії поблизу орбіти Нептуна та дуже віддалені афелії. Розсіяний диск розглядають як результат гравітаційного розсіювання тіл переважно Нептуном у процесі динамічної еволюції Сонячної системи.

Відокремлені об'єкти

Відокремлені (детачовані) транснептунові об'єкти мають перигелії, значно віддалені від орбіти Нептуна, тому його гравітаційний вплив не може безпосередньо пояснити сучасну форму їхніх орбіт.

До таких віддалених популяцій належать об'єкти, що мають орбіти з великими півосями та перигеліями. Їхня динаміка є важливою для дослідження ранньої міграції планет-гігантів і можливих зовнішніх гравітаційних впливів.

Найвідоміші об'єкти

Плутон — найбільш відомий об'єкт поясу Койпера і карликова планета. Відкритий Клайдом Томбо 1930 р. Плутон має складну поверхню з областями азотного, метанового та водяного льоду, гірськими системами, рівнинами й іншими формами рельєфу.

2015 р. космічний апарат New Horizons уперше здійснив проліт поблизу Плутона і передав детальні зображення його поверхні та дані про атмосферу, геологію і систему супутників.

Гаумеа — карликова планета поясу Койпера, відома надзвичайно швидким обертанням навколо осі — приблизно за 4 години. Через швидке обертання вона має сильно витягнуту форму. Хаумеа має два відомі супутники та систему кілець.

Макемаке — карликова планета поясу Койпера. Вона належить до великих транснептунових тіл і має дуже низьку температуру поверхні. Її відкриття стало частиною хвилі відкриттів великих об'єктів поясу в першій половині 2000-х років.

Ерида — велике транснептунове тіло, пов'язане з розсіяним диском. Її відкриття 2005 р. стало одним із ключових чинників перегляду класифікації Плутона. Після прийняття нового визначення планети Ерида стала одним із відомих карликових планетарних тіл.

Карликові планети та пояс Койпера

П'ять офіційно визнаних Міжнародним астрономічним союзом карликових планет — Церера, Плутон, Ерида, Гаумеа та Макемаке — мають різне походження і положення. Церера розташована в головному поясі астероїдів, тоді як Плутон, Гаумеа та Макемаке належать до поясу Койпера, а Ерида — до зовнішньої транснептунової популяції.

Тому не всі карликові планети є об'єктами поясу Койпера, і не всі великі транснептунові об'єкти є карликовими планетами.

Комети

Пояс Койпера вважають одним із головних резервуарів короткоперіодичних комет, особливо комет із періодами обертання навколо Сонця менше 200 років. Гравітаційні взаємодії з Нептуном можуть переводити деякі об'єкти поясу на орбіти, що наближаються до Сонця.

Таким чином, пояс Койпера є не лише «архівом» первинної речовини, а й динамічним джерелом частини кометної популяції.

Походження та еволюція

Пояс Койпера сформувався з речовини первісного протопланетного диска приблизно 4,5–4,6 млрд років тому.

На ранньому етапі розвитку Сонячної системи за орбітою майбутнього Нептуна існувала значно більша кількість крижаного й кам'янистого матеріалу, ніж спостерігається сьогодні. Значна його частина була: включена до складу планет-гігантів; викинута на далекі орбіти; розсіяна гравітаційними взаємодіями; спрямована до внутрішньої Сонячної системи; викинута за межі планетної системи.

Особливо важливим процесом була міграція планет-гігантів. Згідно із сучасними моделями, взаємодія Юпітера, Сатурна, Урана і Нептуна з первісним диском малих тіл призвела до зміни їхніх орбіт. Нептун, мігруючи назовні, захоплював частину малих тіл у резонанси та змінював їхні орбіти. Сучасна структура поясу Койпера значною мірою є наслідком цієї динамічної еволюції.

Тому пояс Койпера не можна вважати абсолютно незмінним залишком протопланетного диска. Це первинний матеріал, структура якого істотно перетворена гравітаційною еволюцією Сонячної системи.

Пояс Койпера і хмара Оорта

Пояс Койпера та хмара Оорта — дві різні популяції малих тіл.

Пояс Койпера має переважно дископодібну форму і розташований у площині, близькій до площини орбіт планет.

Хмара Оорта, навпаки, вважається майже сферичною і розташованою на значно більших відстанях від Сонця.

Пояс Койпера пов'язаний переважно з короткоперіодичними кометами, тоді як хмара Оорта вважається головним джерелом довгоперіодичних комет. Між поясом Койпера, розсіяним диском та хмарою Оорта немає абсолютно різкої фізичної межі; це взаємопов'язані популяції малих тіл, сформовані й перерозподілені гравітаційною еволюцією Сонячної системи.

Дослідження поясу Койпера

До відкриття поясу його існування перевіряли переважно теоретично. Спостереження стали можливими завдяки розвитку великих оптичних телескопів, ПЗЗ-камер та автоматизованих методів пошуку слабких об'єктів.

Основні методи дослідження: оптична астрометрія; фотометрія; спектроскопія; спостереження покриттів зір об'єктами поясу; дослідження теплового випромінювання; аналіз орбітальної динаміки; комп'ютерне моделювання; космічні місії.

Наземні телескопи й космічний телескоп «Габбл» забезпечили більшість спостережних даних про пояс. На сьогодні лише один космічний апарат безпосередньо досліджував об'єкти поясу Койпера зблизька — New Horizons. Після прольоту біля Плутона 2015 р. апарат 1 січня 2019 р. пройшов поблизу об'єкта (486958) Аррокот (2014 MU69). Це стало найвіддаленішим в історії безпосереднім зближенням космічного апарата з небесним тілом.

Аррокот має контактну дволопатеву форму і вважається особливо цінним об'єктом для вивчення первісної планетезимальної речовини.

Українські дослідження

Українські астрономи та наукові установи беруть участь у дослідженні малих тіл Сонячної системи, зокрема їхніх фотометричних, поляриметричних і фізичних властивостей.

Окремий напрям становлять дослідження транснептунових тіл за даними фотометрії та поляриметрії. В Україні виконувалися спостереження об'єктів поясу Койпера, спрямовані на визначення їхніх оптичних властивостей, структури поверхні та порівняння з астероїдами й кометами. У Національному репозитарії академічних текстів зафіксовано результати досліджень, у яких вивчалися фізичні властивості тіл поясу Койпера та комет за фотометричними і поляриметричними даними.

Сучасний приклад українського дослідження — робота Ганни Костянтинівни Охотко (Одеський національний університет імені І. І. Мечникова), присвячена походженню об'єктів «гарячої популяції» поясу Койпера. У дослідженні розглядаються орбітальні та фізичні параметри цієї популяції й моделюється її еволюція.

Українські дослідження малих тіл Сонячної системи мають значення насамперед для вивчення фізичних властивостей поверхонь, орбітальної динаміки та еволюції речовини зовнішньої Сонячної системи.

Наукове значення

Пояс Койпера має фундаментальне значення для: реконструкції ранніх етапів формування Сонячної системи; дослідження міграції планет-гігантів; вивчення походження короткоперіодичних комет; визначення фізико-хімічних властивостей первісної планетезимальної речовини; дослідження походження Плутона та інших карликових планет; порівняння процесів планетоутворення в різних ділянках протопланетного диска; пошуку закономірностей, які можуть бути характерними для планетних систем інших зір.

Особливу цінність мають об'єкти, які зазнали мінімальної геологічної та термічної переробки. Їх можна розглядати як своєрідні «капсули часу» ранньої Сонячної системи.

Перспективи досліджень

Головними напрямами майбутніх досліджень є: відкриття нових транснептунових об'єктів; визначення розподілу їхніх розмірів і мас; уточнення структури динамічних популяцій; дослідження поверхневого складу за допомогою спектроскопії; вивчення супутників, кілець та подвійних систем; пошук нових кандидатів у карликові планети; моделювання міграції Нептуна та інших планет-гігантів; дослідження походження «гарячої» і «холодної» популяцій; вивчення зв'язків між поясом Койпера, розсіяним диском і хмарою Оорта; пошук дуже віддалених об'єктів із незвичайними орбітами.

Особливий інтерес становлять віддалені транснептунові об'єкти з великими перигеліями. Їхні орбіти можуть містити інформацію про ранню міграцію планет-гігантів, минулі гравітаційні взаємодії та структуру зовнішньої частини протопланетного диска. Подальше вивчення поясу Койпера також має важливе значення для порівняльної планетології: спостереження інших планетних систем показують, що диски малих тіл можуть бути характерною складовою планетних систем.

Література

1. Jewitt D., Luu J. Discovery of the candidate Kuiper belt object 1992 QB1 // Nature. 1993. Vol. 362. P. 730–732.
2. Jewitt D. Kuiper Belt Objects // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 1999. Vol. 27. P. 287–312.
3. Luu J. X., Jewitt D. C. Kuiper Belt Objects: Relics from the Accretion Disk of the Sun // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2002. Vol. 40. P. 63–101.
4. Belskaya I. N., Levasseur-Regourd A.-C., Shkuratov Y., Muinonen K. Surface Properties of Kuiper-Belt Objects and Centaurs from Photometry and Polarimetry // The Solar System Beyond Neptune / eds. M. A. Barucci, H. Boehnhardt, D. P. Cruikshank, A. Morbidelli. Tucson : University of Arizona Press, 2008. P. 115–127.
5. Brown M. E. The Compositions of Kuiper Belt Objects // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2012. Vol. 40. P. 467–494.
6. Belskaya I. N., Bagnulo S., Stinson A., Tozzi G. P., Muinonen K., Shkuratov Y. G., Barucci M. A., Fornasier S. Polarimetry of trans-Neptunian objects (136472) Makemake and (90482) Orcus // Astronomy & Astrophysics. 2012. Vol. 547. Art. A101.
7. Belskaya I. N., Barucci M. A., Fulchignoni M., Dovgopol A. N. Updated taxonomy of trans-neptunian objects and centaurs: Influence of albedo // Icarus. 2015. Vol. 250. P. 482–491.
8. Morbidelli A., Nesvorný D. Kuiper belt: Formation and evolution // The Trans-Neptunian Solar System / ed. D. Prialnik et al. Amsterdam : Elsevier, 2020. P. 25–59.
9. Gladman B., Volk K. Transneptunian Space // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2021. Vol. 59. P. 203–246.

Автор

В. С. Білецький

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 03.09.2026