Подорож до царства мертвих. Історія вивчення Плутона

Протягом семи десятиліть Плутон носив звання дев’ятої планети Сонячної системи. Уважалося, що його орбіта позначає межу, за якою слідує величезна порожнеча, що тягнеться аж до хмари Оорта — гіпотетичного регіону, з якого в Сонячну систему прилітають нові комети.

Тепер ми знаємо, що це не так. Плутон — аж ніяк не самотній мандрівник на околиці Сонячної системи, а лише одне з безлічі крижаних тіл. Але все це не робить його менш цікавим, радше, навпаки. Сьогодні ми розповімо про те, як людство зуміло дослідити цей далекий і дивний світ, а також, чому його позбавили статусу планети.

Пошуки нової планети Х

1846 року астрономи Йоганн Галле і Генріх д’Арре, які керувалися розрахунками французького математика Урбена Левер’є, здійснили одне з найвизначніших відкриттів ХІХ століття. Вони виявили планету Нептун.

Відкриття на кінчику пера не було випадковістю. Левер’є намагався знайти планету Х — небесне тіло, що спричинило відхилення в орбіті Урана. Однак, після того як були зроблені початкові оцінки маси Нептуна, частина дослідників заходилися стверджувати, що її недостатньо, щоб пояснити всі відхилення в орбіті Урана. Іншим аргументом на користь цього припущення були аномалії у траєкторіях деяких комет. Отже, на околицях Сонячної системи, вірогідно, ховалася ще одна планета.

Проблема полягала в тому, що нова планета X мала розташовуватися на такій великій відстані від Сонця, що навіть у найпотужніші телескопи того часу вона б скидалася на дуже тьмяну зірочку, що вкрай повільно переміщається. Тож протягом тривалого часу астрономи не робили серйозних спроб знайти це тіло.

Усе змінилося на початку ХХ століття, коли до пошуків планети Х долучився американський бізнесмен Персіваль Лоуелл. Якось він так зацікавився астрономією, що побудував найбільшу в США приватну обсерваторію. У 1906 році Лоуелл ініціював великий проєкт із пошуку планети X. Розрахунки засвідчили, що вона має перебувати в сузір’ї Близнюків. Лоуелл витратив 10 років, намагаючись знайти цю планету. За іронією долі, 1915 року його обсерваторія двічі сфотографувала Плутон. На жаль, на одному зі знімків зображення наклалося на зорю, на іншому — потрапило на дефект пластинки. Тож відкриття не відбулося.

У 1916 році Лоуелл помер. Його вдова почала судові тяжби з приводу спадщини, що призвело до припинення роботи обсерваторії більш ніж на десятиліття. Лише наприкінці 1928 року її відновив молодий астроном Клайд Томбо. Працював учений на самоті на новому фотографічному телескопі. Він скористався координатами обсерваторії Лоуелла і розбив весь сектор пошуків на маленькі ділянки. Кожну з них він фотографував тричі з інтервалом 2-3 дні. На одній фотопластинці у нього в середньому виходило 160 000 цяток — зображень зір. Завдання полягало в тому, аби знайти серед цих 160 000 крапочок одну, яка б змістилася відносно зір — вона і мала виявитися шуканою планетою X.

Щоб зауважити таке зміщення, Томбо використовував прилад під назвою блінк-компаратор. У нього поміщалися дві послідовно отримані фотопластинки однієї й тієї ж ділянки неба. За допомогою дзеркала, що перекидається, дослідник міг поперемінно бачити одну з двох пластинок — ліву або праву. Важливо було так розташувати пластинки, щоб усі зображення зір залишалися на місці і зливалися воєдино. Якщо ж якась із цяточок виявлялася зміщеною, то під час перекидання дзеркальця вона починала нібито “моргати”, що ставало помітно спостерігачеві.

Наполегливий астроном працював по 14 годин на добу протягом року майже без вихідних. Зрозуміло, він неодноразово знаходив крапки, що зміщуються, але вони виявлялися або астероїдами, або кометами. Часто вчений стикався з дефектами фотоемульсії — тоді доводилося використовувати третю, контрольну фотопластинку. Ситуацію ускладнювало те, що в процесі пошуків дослідник наближався до смуги Чумацького шляху і кількість зір неухильно збільшувалася, доходячи до 400 000 на одній пластинці. Проте Томбо не відступав і продовжував працювати. 18 лютого 1930 року він виявив свою цятку.

Після того як спостереження підтвердили, що знайдене Клайдом Томбо тіло не є астероїдом і справді розташоване на краю Сонячної системи, постало питання щодо його назви. Серед запропонованих варіантів були Зевс, Мінерва, Кронос, а також Персіваль. Зрештою було обрано ім’я, запропоноване 11-річною Венецією Берні. На запитання дідуся, як би вона назвала нову планету, дівчинка відповіла, що якщо вже вона така далека і холодна, то її потрібно назвати Плутоном на честь римського бога підземного царства. Цей варіант настільки сподобався дідові, що той розповів про нього знайомому професору астрономії, який і передав його працівникам обсерваторії Лоуелла. Під час подальшого голосування щодо визначення імені планети ті одноголосно обрали варіант Плутон. Ця назва не лише відповідала давній традиції нарікати планети на честь богів, а й віддавала своєрідну данину поваги Персівалю Лоуеллу, оскільки дві перші її літери співпадали з ініціалами П. Л.

“Зменшення” Плутона

Попри те, що практично всі астрономи того часу беззастережно визнали, що Плутон є тією самою планетою Х, залишалася одна проблема. Навіть у найпотужніші телескопи їм все одно не вдавалося розгледіти диск Плутона, і він усе ще скидався на зорю. Тому вважалося, що за маси, схожої з масою Землі, у Плутона дуже темна поверхня, яка майже не відбиває світло.

В іншому ж конкретні знання про Плутон, по суті, обмежувалися лише його орбітальними характеристиками. Астрономи встановили, що нова планета робить один оберт навколо Сонця за 248 років, рухаючись вельми витягнутою орбітою. Її афелій становить близько 50 а.о. (7,5 млрд км), а перигелій — 30 а.о. (4,5 млрд км). Тобто періодично Плутон підходить до Сонця ближче за Нептун. Востаннє таке відбувалося в період з 1979 до 1999 року.

У міру вдосконалення техніки оцінки маси і діаметра Плутона поступово зменшувалися, і дедалі більше астрономів висловлювали сумніви, що він дійсно є планетою Х. Фінальний цвях у кришку труни цієї теорії було забито 1978 року, коли американський астрофізик Джеймс Крісті виявив супутник Плутона, який отримав назву Харон.

Завдяки відкриттю Харона астрономи зуміли нарешті визначити масу Плутона. Виявилося, що Земля у 500 разів за нього важча. Отже, Плутон не міг мати жодного впливу на Уран. Крапку в цій історії поставили наприкінці наступного десятиліття, коли зонд Voyager 2 уточнив масу Нептуна і з’ясував, що її відразу визначили з похибкою. Після її усунення стало зрозуміло, що Уран не схильний до жодних загадкових впливів з боку невідомих тіл. Це означає, що планета Х у її традиційному розумінні ніколи не існувала, а відкриття Плутона Клайдом Томбо було щасливою випадковістю, що спиралася на від початку помилкові розрахунки.

Довга дорога до Плутона

Наступне важливе відкриття, пов’язане з Плутоном, було зроблене 1988 року, коли у нього виявилася атмосфера, нехай і вкрай розріджена. Крім того, з’ясувалося, що маса Харона всього у вісім разів менша за масу Плутона, а їхній спільний центр ваги розташований поза плутоніанською поверхнею. Тому вони обертаються навколо спільної точки в просторі і постійно повернені один до одного однією й тією ж стороною. З огляду на це деякі астрономи навіть почали розглядати Плутон і Харон не як планету та її супутник, а як бінарну (подвійну) планету.

Усі ці відкриття порушили питання про організацію місії до Плутона. Ще за часів розробки програми Voyager інженери американського аерокосмічного агентства розглядали можливість відправити один із зондів до Плутона. Якби план схвалили, Voyager 1 відвідав би його в березні 1986 року. Однак через низку причин NASA відмовилося від цієї ідеї.

Після того як у 1989 році Voyager 2 здійснив історичний проліт Нептуна, Плутон залишився останнім великим недослідженим об’єктом в околицях Сонця (з відомих на той момент). Здавалося логічним, що незабаром NASA відправить до нього міжпланетний апарат і прибере останню білу пляму з мапи Сонячної системи.

Наприкінці 1980-х — на початку 1990-х років кілька груп американських учених та інженерів справді розпочали попереднє розроблення концептів космічного апарата, який можна було б відправити до Плутона. Один із них, що отримав назву Pluto 350, передбачав запуск на пролітну траєкторію зонда масою 350 кг. На жаль, у ті роки бюджет NASA вкотре урізали, і відомство виявилося не готовим фінансувати ще одну велику міжпланетну місію. Зрештою проєкт Pluto 350 закрили.

Ситуація почала поступово змінюватися наприкінці 1990-х. На той час астрономи змогли підтвердити існування поясу Койпера — віддаленого регіону, наповненого великою кількістю крижаних тіл, що залишилися з часів формування Сонця і планет. На початку нульових дослідники масово відкривали великі транснептунові об’єкти, розмір яких можна було порівняти з Плутоном. Стало зрозуміло, що він не є одинаком на краю Сонячної системи, а лише одним із найбільших представників цілого класу тіл. Усе це значно підвищило інтерес наукового співтовариства і широкої громадськості до ідеї відправки космічного апарата в цей незвіданий регіон.

У результаті Лабораторія реактивного руху NASA розробила новий проєкт місії до Плутона, що отримав назву Pluto Kuiper Express. Її запуск був запланований на 2004 рік. Але у 2000-му керівництво аерокосмічного агентства скасувало місію, визнавши її занадто дорогою.

На щастя, очолювана Аланом Стерном команда дослідників із Лабораторії прикладної фізики Університету Джона Гопкінса підготувала альтернативний проєкт місії до Плутона, яка пізніше отримала назву New Horizons. Під час його розроблення основний наголос був на відносній дешевизні та швидкості реалізації. Так, щоби знизити витрати, конструктори пропонували використовувати компоненти та інженерні рішення від попередніх місій NASA — зокрема Cassini. Ці заходи дали результат і в підсумку аерокосмічна адміністрація все ж схвалила експедицію до Плутона.

New Horizons був запущений у січні 2006 року. На той момент Плутон ще носив звання дев’ятої планети. Він був позбавлений цього статусу на досить скандальній сесії Міжнародного астрономічного союзу (МАС), що відбулася в серпні 2006-го.

Ключовою причиною цього “розжалування” стало відкриття на початку нульових кількох транснептунових об’єктів, порівнянних із Плутоном за розміром і масою. Це поставило перед астрономами дилему — або визнати всі ці тіла планетами, або об’єднати їх у нову категорію і перекласифікувати Плутон. У підсумку вибрали другий варіант і Плутон стали називати карликовою планетою.

Заради справедливості зауважимо, що в рішенні МАС сплелися не тільки наукові, а й особисті мотиви. Так, за словами Алана Стерна, однією з його основних рушійних сил був британський астроном Брайан Марсден, який з невідомих причин сильно не злюбив Клайда Томбо і поставив собі за мету “знищити” його наукову спадщину шляхом виключення Плутона зі списку планет.

Рандеву на кордоні Сонячної системи

Перекласифікація Плутона ніяк не позначилася на перебігу місії New Horizons. У 2007 році апарат виконав гравітаційний маневр біля Юпітера, а влітку 2015-го досяг своєї мети.

Варто сказати, що деякі інженери чекали на цю подію з острахом. Річ у тім, що в 2005-2011 роках телескоп Hubble виявив чотири невеликі супутники Плутона. Більшість учених вважала, що у карликової планети є ще не відкриті місяці, а можливо, навіть і кільця, зіткнення з частинками яких могло б знищити апарат. Але, на щастя, ці побоювання не підтвердилися. New Horizons не вдалося знайти у Плутона ані нових супутників, ані слідів кілець. Тож його прольоту нічого не загрожувало.

Історична подія відбулася 14 липня 2015 року. Того дня New Horizons пройшов на відстані 12 500 км від поверхні Плутона і за 28 800 км від Харона. Після підтвердження, що апарат успішно пережив зближення і виконав усі необхідні вимірювання, почався тривалий період ретрансляції зібраних під час прольоту даних.

Очікування астрономів були щедро винагороджені. Перед візитом New Horizons до Плутона вважалося, що той нагадує Тритон, який є захопленим об’єктом поясу Койпера. Але вже перші фотографії показали, що це не так. Головна відмінна риса карликової планети — “серце”, величезний регіон характерної форми поперечником у 2300 км. Його західна частина (Рівнина Супутника) являє собою одну з найдивовижніших формацій у всій Сонячній системі. Вона покрита гладким азотним льодом, на якому немає жодного ударного кратера, що свідчить про її виняткову молодість. На краях Рівнина Супутника обрамлена горами, що складаються з водяного льоду. За температур на поверхні Плутона він фактично відіграє роль скелястих порід.

На думку дослідників, Рівнина Супутника — це величезний ударний кратер, що поступово заповнився азотом та іншими замерзлими летючими речовинами. Знімки New Horizons демонструють, що цей регіон укритий своєрідними плитами, що складаються з азотного льоду. Передбачається, що азот під ними перебуває в рідкому стані. Коли він виходить на поверхню, то замерзає й утворює нові плити. Згодом вони “підринають” під інші, занурюються, тануть, після чого процес повторюється. Таким чином, увесь цей регіон — щось на кшталт гігантської “лава-лампи”, що забезпечує постійне оновлення поверхні.

Інший дивовижний факт полягає в тому, що по Рівнині Супутника плавають справжнісінькі айсберги — блоки водяного льоду, які періодично відколюються від гір, що оточують її. Щоправда, швидкість їхнього руху невелика і становить лише кілька сантиметрів на рік.

Однак Рівнина Супутника — далеко не єдина визначна пам’ятка карликової планети. New Horizons також зміг сфотографувати незвичайні “зазубрені” ділянки, вкриті характерними крижаними утвореннями, зовні схожими на леза (голки). Їхня висота сягає 500 м. Здебільшого вони розташовані рядами з інтервалом у 3-5 км. Ці голки утворюються під час вимерзання метану з атмосфери карликової планети.

На Плутоні також є високогірні та сильно кратеровані регіони. Знімки New Horizons продемонстрували, що їхні найвищі ділянки вкриті метановим снігом, водночас у низинах ховаються толіни — суміш складних органічних молекул, що формуються в азотно-метановій атмосфері під впливом сонячного випромінювання.

Були зібрані цінні дані і про газову оболонку карликової планети. Вона виявилася куди складнішою, ніж вважали вчені. New Horizons з’ясував, що атмосфера Плутона складається з безлічі шарів вуглеводневої димки. Водночас, попри її крайню розрідженість, у ній дмуть вітри, що мають певний вплив на поверхню. Один з найбільш знакових знімків місії був зроблений, коли Сонце перебувало позаду Плутона, підсвічуючи його атмосферу. На цьому фото красивий блакитний серпанок огортає карликову планету.

Харон також подарував кілька сюрпризів. Виявилося, що вздовж його екватора тягнеться гігантська система каньйонів, глибина яких сягає 9 км. Не виключено, що її сумарна протяжність навіть може перевищувати довжину знаменитої Долини Маринера на Марсі. Найімовірніше, колись Харон мав підповерхневий океан. Коли той замерз, це призвело до розширення надр супутника, внаслідок чого його кора просто тріснула.

Іншою незвичайною особливістю Харона є гори, які в прямому сенсі слова виростають із западин. Передбачається, що їхнє походження якось пов’язане з кріовулканічною активністю, проте точний механізм поки що залишається загадкою для вчених.

Що стосується Плутона, то в міру опрацювання даних New Horizons все більше дослідників схиляються до припущення, що у надрах планети все ще може існувати океан рідкої води. І цілком можливо, він може бути населеним.

Утім, так це чи ні, ми, вочевидь, дізнаємося ще нескоро. За минулі після візиту New Horizons роки було розроблено кілька проєктів нових місій до Плутона. На жаль, терміни їхньої реалізації будуть вимірюватися багатьма десятиліттями. Через це, а також зважаючи на їхню значну дорожнечу, всі вони поки що існують лише на папері. Наразі ні в NASA, ні в будь-яких інших космічних агентств немає офіційних планів щодо відправки нових місій до карликової планети. Зараз складно сказати, коли ця ситуація може змінитися.

У будь-якому разі, нехай ми хоча б приблизно не в змозі спрогнозувати, коли людський посланець знову побуває в гостях у Плутона, невеликий крижаний світ уже довів нам головне. Тепер ми знаємо, що й настільки холодне тіло може бути геологічно активним. А отже, зона пошуків позаземного життя набагато ширша, ніж думали раніше, і охоплює навіть такі екстремально далекі куточки.