Астрономы обнаружили новую структуру в поясе Койпера

Коллектив астрономов из Принстонского университета и Института перспективных исследований обнаружил новую группировку объектов в поясе Койпера — удалённом скоплении ледяных тел за орбитой Нептуна. Эта структура, получившая название «внутреннее ядро», расположена рядом с ранее известной группировкой, именуемой «ядром», и её открытие указывает на то, что архитектура этой области Солнечной системы может быть сложнее, чем считалось ранее.

Исследование, которое провели Амир Сираж, Кристофер Ф. Чиба и Скотт Тремейн, впервые применило мощный алгоритм поиска паттернов, обычно используемый для анализа больших астрономических данных, к карте орбит объектов пояса Койпера. В результате была выявлена новая группа, находящаяся на среднем расстоянии около 43 астрономических единиц от Солнца, что немного ближе, чем исходное ядро, расположенное примерно в 44 астрономических единицах. Астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца, составляющее около 150 миллионов километров.

Первоначальное ядро было открыто в 2011 году астрономом Жан-Марком Пети и его командой. Учёные тогда заметили, просто изучая графики орбит, необычную концентрацию объектов с очень круговыми и малонаклонными орбитами около 44 астрономических единиц. Это открытие было похоже на обнаружение плотно застроенного района в большом городе при беглом взгляде на карту.

Вопрос, который задали Сираж и его коллеги, заключался в следующем: могли ли остаться незамеченными другие подобные «районы»? Чтобы ответить на него, они решили использовать более совершенный инструмент — компьютерный алгоритм DBSCAN, который хорошо справляется с поиском плотных групп данных среди разбросанного «шума». Ранее он применялся, например, для идентификации звёздных скоплений в обширной базе данных миссии Gaia, но никогда систематически не использовался для изучения пояса Койпера.

Однако исследователи не могли просто загрузить наблюдаемые орбиты напрямую в алгоритм. Орбиты этих удалённых объектов, известных как объекты пояса Койпера, не являются фиксированными. Они испытывают возмущения со стороны планет-гигантов, в основном Нептуна, из-за чего их орбитальные параметры со временем меняются. Это похоже на попытку изучить распределение машин в городе, измеряя их положение и скорость в единственный момент времени в условиях интенсивного движения: мы получим искажённую картину.

Чтобы решить эту проблему, исследователи вычислили так называемые «свободные орбитальные элементы». Говоря упрощённо, они отделили собственное движение каждого объекта от гравитационных «толчков», вызываемых планетами. Убрав эти возмущения, они получили более чёткое и стабильное представление о первозданных орбитах объектов пояса Койпера — то, которое лучше всего отражает их первоначальное распределение. Этот шаг был ключевым для выявления древних структур, которые в противном случае остались бы скрытыми.

Команда использовала базу данных 1650 классических объектов пояса Койпера — тех, что имеют стабильные и не слишком эксцентричные орбиты — и рассчитала для каждого из них свободное среднее расстояние, свободный эксцентриситет и свободное наклонение. Используя эти три значения в качестве координат в трёхмерном пространстве, они запустили алгоритм DBSCAN.

Одной из проблем такого типа алгоритмов является то, что их результаты могут зависеть от выбранных параметров. Чтобы избежать ситуации, при которой их открытие окажется просто артефактом конкретной настройки, исследователи провели анализ «условно». Они задали конкретный вопрос: может ли алгоритм восстановить уже известное ядро? И если да, то обнаруживает ли он одновременно какую-либо другую группу?

Ответ был утвердительным в обоих случаях. Для широкого диапазона разумных параметров DBSCAN последовательно идентифицировал группу, соответствующую определению ранее обнаруженного ядра. И, что важно, во всех этих случаях DBSCAN выявлял дополнительный кластер на расстоянии около 43 астрономических единиц. Эту дополнительную группу они и назвали внутренним ядром.

Согласно исследованию, внутреннее ядро имеет свои отличительные особенности. Оно сосредоточено вокруг 43 астрономических единиц, в то время как ядро — вокруг 44. Распределение эксцентриситета внутреннего ядра является более «холодным», чем у ядра: его орбиты в среднем ещё более круговые. Диапазон свободного эксцентриситета для внутреннего ядра лежит между 0,01 и 0,06. Как и исходное ядро, и остальная популяция «холодного» пояса Койпера, объекты внутреннего ядра имеют орбиты, лежащие очень близко к плоскости Солнечной системы, с низкими свободными наклонениями.

Одним из самых интригующих аспектов открытия является то, что исследователи не могут с полной уверенностью сказать, являются ли ядро и внутреннее ядро двумя истинно отдельными структурами или же они являются частью одной более крупной непрерывной структуры. Алгоритм DBSCAN чувствителен к плотности. Когда исследователи слегка скорректировали его параметры, чтобы сделать их более "мягкими" и допускающими больше вариаций в определении группы, ядро и внутреннее ядро слились в одну большую группировку.

Что может вызывать эту неопределённость? Авторы предлагают важную подсказку: кажущееся пустое пространство между 43 и 44 астрономическими единицами может быть связано с присутствием «резонанса среднего движения» с Нептуном на отметке 43,7 астрономической единицы. Резонансы — это участки пространства, где гравитационное влияние планеты постоянно сбивает орбиты объектов с их пути, из-за чего те не могут оставаться на стабильных траекториях и в конечном счете покидают эту область. Резонанс 7:4 с Нептуном находится точно между двумя обнаруженными группами объектов и работает как невидимая граница. Он как бы "расчищает" пространство вокруг себя, создавая разрыв в едином скоплении тел. Из-за этой бреши и кажется, что перед нами два разных скопления, хотя на деле это, вероятно, одна большая группа, разделённая гравитационным барьером.

Таким образом, существуют два возможных объяснения. Как отмечают авторы: в результате имеются две альтернативные объяснительные гипотезы, которые мы не можем различить: либо ядро значительно больше, чем считалось ранее, либо в холодном классическом поясе Койпера существует дополнительная и отличная структура. В любом случае, внутреннее ядро, как оно описано здесь, является этим дополнительным компонентом. Один из аргументов в пользу их возможного различия заключается в том, что их распределения эксцентриситета заметно отличаются: внутреннее ядро статистически «холоднее».

Открытие внутреннего ядра, независимо от того, является ли оно отдельной структурой или расширением ядра, позволяет пересмотреть наши представления о формировании и эволюции Солнечной системы. Особенно упорядоченные и круговые орбиты внутреннего ядра подразумевают, что этот регион пояса Койпера испытал очень мало «динамического разогрева», то есть сильных возмущений в прошлом.

Что касается его происхождения, авторы предполагают, что «скачкообразная миграция» Нептуна — теория, предполагающая, что планета двигалась вовне серией нестабильных скачков, — является правдоподобным объяснением формирования как ядра, так и внутреннего ядра. В отличие от этого, они в значительной степени исключают возможность того, что это семейство фрагментов — осколки одного крупного древнего столкновения — из-за узкого разброса по среднему расстоянию.

Подтверждение и лучшая характеристика внутреннего ядра, вероятно, появятся в ближайшие годы. В исследовании упоминается, что будущая обсерватория имени Веры Рубин и её многообзорный обзор Legacy Survey of Space and Time (LSST) вскоре начнут сканировать небо с беспрецедентной глубиной и частотой. Ожидается, что этот монументальный астрономический обзор умножит количество известных объектов пояса Койпера, позволив учёным более точно определить, является ли внутреннее ядро отдельной реальностью и, в конечном счёте, разгадать тайну его формирования.