Рассеянный диск Солнечной системы: скопление тел на краю

Введение

Коллекция тел в экстремальной Солнечной системе

Рассеянный диск (или рассеянный дисковый пояс) – это удалённый околозвёздный диск в Солнечной системе, слабо заселённый ледяными малыми телами Солнечной системы, которые являются подмножеством более широкого семейства транснептуновых объектов. Объекты рассеянного диска (ОРД) имеют орбитальные эксцентриситеты, достигающие 0,8, наклонения до 40° и перигелии больше, чем… Эти экстремальные орбиты, как считается, являются результатом гравитационного «рассеяния» со стороны газовых гигантов, и объекты продолжают испытывать возмущения от планеты Нептун. Хотя ближайшие объекты рассеянного диска приближаются к Солнцу на расстоянии около 30–35 а.е., их орбиты могут простираться далеко за пределы 100 а.е. Это делает рассеянные объекты одними из самых холодных и далёких объектов в Солнечной системе. Внутренняя часть рассеянного диска перекрывается с тороидальной областью обращающихся объектов, традиционно называемой поясом Койпера. В данной статье рассеянный диск будет рассматриваться как отдельная популяция от пояса Койпера. Благодаря своей нестабильной природе, астрономы в настоящее время считают рассеянный диск местом происхождения большинства периодических комет в Солнечной системе, а кентавры – популяцией ледяных тел между Юпитером и Нептуном – являются промежуточной стадией в миграции объекта из диска во внутреннюю Солнечную систему. В конечном итоге, возмущения от гигантских планет направляют такие объекты к Солнцу, превращая их в периодические кометы. Многие объекты предполагаемого облака Оорта также, вероятно, образовались в рассеянном диске. Отделяющиеся объекты не имеют чёткого отличия от объектов рассеянного диска, и некоторые, такие как Седна, иногда рассматриваются как принадлежащие к этой группе.

Открытие

Традиционно для обнаружения объектов в Солнечной системе в астрономии использовались такие устройства, как компаратор вспышек, поскольку эти объекты смещались между двумя снимками. Это включало в себя трудоемкие этапы, такие как экспонирование и проявка фотопластин или фотопленки, а затем астрономы вручную выявляли потенциальные объекты с помощью компаратора вспышек. В 1980-х годах использование ПЗС-матриц (CCD) в телескопах позволило напрямую получать электронные изображения, которые затем можно было легко оцифровать и преобразовать в цифровой формат. Поскольку ПЗС-матрица улавливала больше света, чем пленка (около 90% против 10% входящего света), а сравнение изображений теперь можно было проводить на регулируемом экране компьютера, обзоры стали более эффективными. Результатом стал всплеск новых открытий: с 1992 по 2006 год было обнаружено более тысячи транснептуновых объектов. Первым объектом рассеянного диска (SDO), который был идентифицирован как таковой, был , впервые обнаруженный в 1996 году астрономами, работающими на Мауна-Кеа на Гавайях. В 1999 году то же обследование выявило еще три объекта: , , и . По состоянию на 2011 год было идентифицировано более 200 SDO, включая (NEAT), Эриду (Браун, Трухильо и Рабиновиц), Седну (Браун, Трухильо и Рабиновиц) и 474640 Аликанто (Deep Ecliptic Survey). Хотя предполагается, что количество объектов в поясе Койпера и рассеянном диске примерно одинаково, наблюдательная предвзятость, связанная с их большей удаленностью, означает, что на сегодняшний день наблюдалось гораздо меньше SDO.

Подразделения транснептунового пространства

Известные транснептуновые объекты часто разделяют на две подпопуляции: пояс Койпера и рассеянный диск. Некоторые исследователи также предполагают существование переходной области между рассеянным диском и внутренним облаком Оорта, населенной "отделенными объектами". В состав входят две основные популяции объектов пояса Койпера (КБО): классические объекты пояса Койпера (или "кубевано"), находящиеся на орбитах, не затронутых Нептуном, и резонансные объекты пояса Койпера – объекты, захваченные Нептуном в определенные орбитальные соотношения, такие как 2:3 (объект совершает два оборота на каждые три оборота Нептуна) и 1:2 (объект совершает один оборот на каждые два оборота Нептуна). Эти соотношения, называемые орбитальными резонансами, позволяют КБО сохраняться в областях, которые гравитационное влияние Нептуна иначе бы очистило за время существования Солнечной системы, поскольку объекты никогда не приближаются к Нептуну настолько, чтобы быть рассеянными его гравитацией. Объекты, находящиеся в резонансе 2:3, известны как "плютино", поскольку Плутон является крупнейшим представителем этой группы, а объекты в резонансе 1:2 – как "двухтино". В отличие от пояса Койпера, объекты рассеянного диска могут испытывать возмущения со стороны Нептуна. Продолжающиеся исследования показывают, что кентавры – класс ледяных планетоидов, обращающихся вокруг Солнца между Юпитером и Нептуном, могут быть просто SDO, выброшенными Нептуном во внутренние области Солнечной системы, что делает их "цис-нептунианскими", а не транс-нептунианскими рассеянными объектами. Некоторые объекты, такие как (29981) 1999 TD10, размывают это различие, и Центр малых планет (MPC), который официально каталогизирует все транснептуновые объекты, теперь объединяет кентавров и SDO в одном списке. Однако граница между поясом Койпера и рассеянным диском нечеткая, и многие астрономы рассматривают рассеянный диск не как отдельную популяцию, а как внешнюю область пояса Койпера. Также используется термин "рассеянный объект пояса Койпера" (или SKBO) для обозначения тел рассеянного диска. Морбиделли и Браун предполагают, что разница между объектами пояса Койпера и объектами рассеянного диска заключается в том, что последние тела "транспортируются в изменении большой полуоси при близких и дальних встречах с Нептуном". Согласно этому определению, объект с перигелием более 40 а.е. может быть классифицирован как находящийся за пределами рассеянного диска. Седна – не единственный такой объект: (148209) 2000 CR (открытый до Седны) и 474640 Аликанто имеют перигелий, слишком удаленный от Нептуна, чтобы на него влиять. Это привело к обсуждению среди астрономов о создании нового класса малых планет – расширенного рассеянного диска (E SDO). 2000 CR также может быть внутренним объектом облака Оорта или (более вероятно) переходным объектом между рассеянным диском и внутренним облаком Оорта. В последнее время эти объекты стали называть "отделенными" или удаленными отделенными объектами (DDO), либо далеким объектом размером с планету. Также было предложено, что эти объекты могли быть захвачены из проходящей звезды. В отчете Deep Ecliptic Survey 2005 года, представленном Дж. Л. Эллиоттом и др., представлена схема, различающая две категории: рассеянные близкие (т.е. типичные SDO) и рассеянные расширенные (т.е. отделенные объекты). Рассеянные близкие объекты – это объекты, чьи орбиты не резонансные, не пересекающие орбиты планет и имеющие параметр Тиссерана (относительно Нептуна) менее 3. Объект квалифицируется как SDO, если его орбита не резонансная, большая полуось не превышает 2000 а.е. и во время интегрирования его большая полуось показывает отклонение в 1,5 а.е. или более. Для SDO характерны орбиты со средней и высокой эксцентриситетами и большой полуосью более 50 а.е., но их перигелии находятся в пределах гравитационного влияния Нептуна. Перигелий около 30 а.е. является одной из определяющих характеристик рассеянных объектов, поскольку позволяет Нептуну оказывать свое гравитационное воздействие. Классические объекты (кубевано) сильно отличаются от рассеянных объектов: более 30% всех кубевано находятся на орбитах с небольшим наклоном и близкими к круговым, с эксцентриситетами, достигающими максимума 0,25. Эксцентриситеты классических объектов варьируются от 0,2 до 0,8. Хотя наклоны рассеянных объектов аналогичны наклонам наиболее экстремальных КБО, очень мало рассеянных объектов имеют орбиты, близкие к эклиптике, как у большей части популяции КБО. Согласно современным моделям, рассеянный диск образовался, когда объекты пояса Койпера (КБО) были "рассеяны" на эксцентрические и наклонные орбиты гравитационным взаимодействием с Нептуном и другими внешними планетами. Время, необходимое для этого процесса, остается неопределенным. Одна гипотеза предполагает период, равный всему возрасту Солнечной системы, а другая – что рассеяние произошло относительно быстро во время ранней миграции Нептуна. Когда орбиты Юпитера и Сатурна сместились к резонансу 2:1 (два оборота Юпитера на каждый оборот Сатурна), их совместное гравитационное притяжение нарушило орбиты Урана и Нептуна, отправив Нептун во временный "хаос" протопояса Койпера. По мере движения Нептуна наружу он рассеял многие транснептуновые объекты на более высокие и эксцентрические орбиты. Эта модель утверждает, что 90% или более объектов в рассеянном диске могли быть "переведены на эти эксцентрические орбиты резонансами Нептуна во время эпохи миграции [поэтому] рассеянный диск может быть не таким уж рассеянным". В частности, ожидалось, что SDO будут иметь большое количество метана на поверхности, химически преобразованного в толины под воздействием солнечного света. Это поглощало бы синий свет, создавая красноватый оттенок.

Known trans Neptunian objects are often divided into two subpopulations: the Kuiper belt and the scattered disc. Some researchers further suggest a transitional space between the scattered disc and the inner Oort cloud, populated with "detached objects". comprising two main populations of Kuiper belt objects (KBOs): the classical Kuiper belt objects (or "cubewanos"), which lie in orbits untouched by Neptune, and the resonant Kuiper belt objects; those which Neptune has locked into a precise orbital ratio such as 2:3 (the object goes around twice for every three Neptune orbits) and 1:2 (the object goes around once for every two Neptune orbits). These ratios, called orbital resonances, allow KBOs to persist in regions which Neptune's gravitational influence would otherwise have cleared out over the age of the Solar System, since the objects are never close enough to Neptune to be scattered by its gravity. Those in 2:3 resonances are known as "plutinos", because Pluto is the largest member of their group, whereas those in 1:2 resonances are known as "twotinos". In contrast to the Kuiper belt, the scattered disc population can be disturbed by Neptune. Ongoing research suggests that the centaurs, a class of icy planetoids that orbit between Jupiter and Neptune, may simply be SDOs thrown into the inner reaches of the Solar System by Neptune, making them "cis Neptunian" rather than trans Neptunian scattered objects. Some objects, like (29981) 1999 TD10, blur the distinction and the Minor Planet Center (MPC), which officially catalogues all trans Neptunian objects, now lists centaurs and SDOs together. However, the difference between the Kuiper belt and the scattered disc is not clear cut, and many astronomers see the scattered disc not as a separate population but as an outward region of the Kuiper belt. Another term used is "scattered Kuiper belt object" (or SKBO) for bodies of the scattered disc. Morbidelli and Brown propose that the difference between objects in the Kuiper belt and scattered disc objects is that the latter bodies "are transported in semi major axis by close and distant encounters with Neptune," Under this definition, an object with a perihelion greater than 40 AU could be classified as outside the scattered disc. Sedna is not the only such object: (148209) 2000 CR (discovered before Sedna) and 474640 Alicanto have a perihelion too far away from Neptune to be influenced by it. This led to a discussion among astronomers about a new minor planet set, called the extended scattered disc (E SDO). 2000 CR may also be an inner Oort cloud object or (more likely) a transitional object between the scattered disc and the inner Oort cloud. More recently, these objects have been referred to as "detached", or distant detached objects (DDO). or a distant, planet sized object. Alternatively, it has been suggested that these objects have been captured from a passing star. A scheme introduced by a 2005 report from the Deep Ecliptic Survey by J. L. Elliott et al. distinguishes between two categories: scattered near (i. e. typical SDOs) and scattered extended (i. e. detached objects). Scattered near objects are those whose orbits are non resonant, non planetary orbit crossing and have a Tisserand parameter (relative to Neptune) less than 3. An object qualifies as an SDO if its orbit is not resonant, has a semi major axis no greater than 2000 AU, and, during the integration, its semi major axis shows an excursion of 1.5 AU or more. SDOs are typically characterized by orbits with medium and high eccentricities with a semi major axis greater than 50 AU, but their perihelia bring them within influence of Neptune. Having a perihelion of roughly 30 AU is one of the defining characteristics of scattered objects, as it allows Neptune to exert its gravitational influence. The classical objects (cubewanos) are very different from the scattered objects: more than 30% of all cubewanos are on low inclination, near circular orbits whose eccentricities peak at 0.25. Classical objects possess eccentricities ranging from 0.2 to 0.8. Though the inclinations of scattered objects are similar to the more extreme KBOs, very few scattered objects have orbits as close to the ecliptic as much of the KBO population. According to contemporary models, the scattered disc formed when Kuiper belt objects (KBOs) were "scattered" into eccentric and inclined orbits by gravitational interaction with Neptune and the other outer planets. The amount of time for this process to occur remains uncertain. One hypothesis estimates a period equal to the entire age of the Solar System; a second posits that the scattering took place relatively quickly, during Neptune's early migration epoch. Once the orbits of Jupiter and Saturn shifted to a 2:1 resonance (two Jupiter orbits for each orbit of Saturn), their combined gravitational pull disrupted the orbits of Uranus and Neptune, sending Neptune into the temporary "chaos" of the proto Kuiper belt. As Neptune traveled outward, it scattered many trans Neptunian objects into higher and more eccentric orbits. This model states that 90% or more of the objects in the scattered disc may have been "promoted into these eccentric orbits by Neptune's resonances during the migration epoch [therefore] the scattered disc might not be so scattered." Specifically, SDOs were expected to have large amounts of surface methane, chemically altered into tholins by sunlight from the Sun. This would absorb blue light, creating a reddish hue.

Кометы

Сначала считалось, что пояс Койпера является источником эклиптических комет Солнечной системы. Однако исследования этого региона, начатые в 1992 году, показали, что орбиты в поясе Койпера относительно стабильны, и эклиптические кометы происходят из рассеянного диска, где орбиты, как правило, менее устойчивы. Кометы условно можно разделить на две категории: кометы с коротким периодом обращения и кометы с длинным периодом обращения — последние, как считается, формируются в облаке Оорта. Две основные категории комет с коротким периодом обращения — это кометы семейства Юпитера (JFC) и кометы типа Галлея. Кентавры предположительно представляют собой динамически промежуточную стадию между рассеянным диском и семейством Юпитера.