Новая структура обнаружена в поясе Койпера за орбитой Нептуна

Фото из открытых источников

Группа астрономов из Принстонского университета и Института перспективных исследований обнаружила, по-видимому, новую группу объектов в поясе Койпера — удалённой полосе ледяных тел за орбитой Нептуна. Эта структура, называемая внутренним ядром, расположена рядом с другой ранее известной группой, называемой ядром, и её открытие предполагает, что архитектура этой области Солнечной системы может быть более сложной, чем считалось ранее.

Исследование, проведённое под руководством Амира Сираджа, Кристофера Ф. Чибы и Скотта Тремейна, было сосредоточено на первом применении мощного алгоритма поиска закономерностей, обычно используемого для анализа больших наборов астрономических данных, к карте орбит объектов пояса Койпера. Результатом стало появление этой новой группы, расположенной на среднем расстоянии от Солнца примерно в 43 астрономических единицы (а.е.), что немного ближе, чем исходное ядро, расположенное примерно в 44 а.е. Астрономическая единица — это расстояние между Землёй и Солнцем, около 150 миллионов километров.

Первоначальное ядро было обнаружено в 2011 году астрономом Жан-Марком Пети и его командой. Просто глядя на графики орбит, они заметили необычную концентрацию объектов с очень круговыми и малонаклоненными орбитами около 44 а.е. Это открытие было похоже на обнаружение особенно густонаселённого района в большом городе, просто взглянув на карту.

Сирадж и его коллеги задались вопросом: могут ли существовать ещё подобные «окрестности», оставшиеся незамеченными невооружённым глазом? Чтобы ответить на этот вопрос, они решили использовать более сложный инструмент: компьютерный алгоритм DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, пространственная кластеризация данных на основе плотности с шумом). Этот алгоритм отлично подходит для поиска плотных групп точек данных среди рассеянного «шума». Он использовался, например, для идентификации звёздных скоплений в обширной базе данных миссии Gaia, но никогда ранее систематически не применялся к поясу Койпера .

Однако исследователи не смогли просто ввести наблюдаемые орбиты непосредственно в алгоритм. Орбиты этих далёких объектов, известных как объекты пояса Койпера (ОКК), не фиксированы. Они подвергаются возмущениям со стороны газовых гигантов, в основном Нептуна, что приводит к изменению их орбитальных параметров с течением времени. Это похоже на попытку изучить распределение автомобилей в городе, измеряя их положение и скорость в один момент времени во время интенсивного движения: мы получим искажённую картину.

Чтобы решить эту проблему, исследователи вычислили так называемые «свободные орбитальные элементы». Проще говоря, они отделили собственное «самодвижение» каждого объекта от гравитационных «толчков», вызванных планетами. Устранив эти возмущения, они получили более чёткое и стабильное представление об изначальных орбитах пояса Койпера — то, которое наилучшим образом отражает их изначальное распределение. Этот шаг имел решающее значение для выявления древних структур, которые в противном случае были бы скрыты.

Команда использовала базу данных из 1650 классических объектов пояса Койпера — тех, чьи орбиты стабильны и не слишком эксцентричны, — и рассчитала для каждого из них среднее расстояние до объекта, эксцентриситет и наклон. Используя эти три значения в качестве координат в трёхмерном пространстве, они запустили алгоритм DBSCAN.

Одна из проблем алгоритмов такого типа заключается в том, что их результаты могут зависеть от выбранных параметров. Чтобы их открытие не оказалось всего лишь артефактом конкретной конфигурации, исследователи провели анализ «условно». Они поставили конкретный вопрос: может ли алгоритм восстановить уже известное ядро? И если да, то найдёт ли он одновременно какую-либо другую группу?

Ответ был утвердительным по обоим пунктам. В широком диапазоне разумных параметров DBSCAN последовательно идентифицировал группу, соответствующую определению ранее обнаруженного ядра. И, что особенно важно, во всех этих случаях DBSCAN идентифицировал дополнительное скопление на расстоянии около 43 а.е. Эта дополнительная группа и есть то, что они назвали внутренним ядром.

Согласно исследованию, внутреннее ядро имеет свои отличительные особенности. Оно расположено около 43 а.е., тогда как ядро находится на 44 а.е. Внутреннее ядро имеет более «холодное» распределение эксцентриситета, чем ядро. Его орбиты в среднем ещё более круговые. Диапазон свободного эксцентриситета внутреннего ядра лежит в пределах от 0,01 до 0,06. Как и исходное ядро и остальная часть «холодного» населения пояса Койпера , объекты внутреннего ядра имеют орбиты, расположенные очень близко к плоскости Солнечной системы, с малым свободным наклонением.

Один из самых интригующих аспектов открытия заключается в том, что исследователи не могут с полной уверенностью сказать, являются ли ядро и внутреннее ядро двумя действительно отдельными структурами или же они являются частью единой, более крупной и непрерывной структуры. Алгоритм DBSCAN чувствителен к плотности. Когда исследователи немного скорректировали его параметры, сделав их более «разрешительными» при определении группы, ядро и внутреннее ядро объединились в одну большую группу.

Что может быть причиной этой неоднозначности? Авторы предлагают важную подсказку: кажущееся отсутствие объектов между 43 и 44 а.е. может быть связано с наличием «резонанса среднего движения» с Нептуном на расстоянии 43,7 а.е. Резонансы — это области, где орбиты объектов периодически возмущены гравитацией планеты, что часто делает их нестабильными и приводит к их депопуляции. Резонанс 7:4 с Нептуном, расположенный прямо между двумя группами, может действовать как барьер, создавая иллюзию двух отдельных скоплений, тогда как на самом деле существует одно с промежутком посередине.

Таким образом, существует два возможных объяснения. Как отмечают авторы, в результате возникают два альтернативных объяснения, которые мы не можем различить: либо ядро значительно больше, чем считалось ранее, либо в холодном классическом поясе Койпера существует дополнительная и особая структура. В любом случае, внутреннее ядро, как описано здесь, является дополнительным компонентом.

Одним из доказательств того, что они могут быть разными, является заметное различие в распределении их эксцентриситетов. Внутреннее ядро статистически «холоднее» (менее эксцентрично).

Открытие внутреннего ядра, независимо от того, является ли оно отдельной структурой или его продолжением, имеет значение для нашего понимания формирования и эволюции Солнечной системы. Особо упорядоченные и круговые орбиты внутреннего ядра указывают на то, что эта область пояса Койпера испытывала очень слабый «динамический нагрев», что означает отсутствие сильных возмущений в прошлом.

Что касается его происхождения, авторы предполагают, что скачкообразная миграция Нептуна – теория, предполагающая, что планета двигалась наружу в результате серии нестабильных скачков, – является правдоподобным объяснением образования как ядра, так и внутреннего ядра. Напротив, они в значительной степени исключают возможность того, что это – коллизионное семейство (фрагменты крупного древнего столкновения) из-за его небольшого разброса по среднему расстоянию.

Подтверждение и более точное описание внутреннего ядра, вероятно, появятся в ближайшие несколько лет. В исследовании упоминается, что готовящаяся к запуску обсерватория Веры К. Рубин и её проект Legacy Survey of Space and Time (LSST) вскоре начнут сканировать небо с беспрецедентной глубиной и частотой. Ожидается, что это монументальное астрономическое исследование многократно увеличит число известных объектов пояса Койпера, что позволит учёным точнее определить, существует ли внутреннее ядро как отдельная реальность, и, в конечном итоге, разгадать тайну его формирования.