Карликовая планета Хаумеа и ее...

21© Уральская В.С.

Астрономия

Карликовая планета Хаумеа и ее спутники

В.С. УРАЛЬСКАЯ,кандидат физико-математических наук ГАИШ МГУ

Астрономия не пе-рестает удивлять нас новыми открытиями в Солнечной системе. Космические аппараты, достигшие планет-ги-гантов и их спутников, показывают нам новые миры, самые разнооб-разные, отличающие-ся от привычных пред-ставлений. Метановые озера, обнаруженные на Титане, находятся в жидком состоянии и это единственное место в Солнечной системе, кроме Земли, где суще-ствуют жидкие озера на поверхности, сезонные изменения в атмосфе-ре и метановые ливни. Под ледяной коркой Энцелада находится большой резервуар со-леной воды, из которо-го происходят изверже-ния водяных гейзеров, по составу близких к соленой воде океана. Пористая как губка по-верхность Гипериона

и гладкая ледяная по-верхность Елены – двух спутников Сатурна – яв-ляются еще одним кон-трастом в системе спут-ников Сатурна.

Но и наземные на-блюдения приносят нам много удивительных новостей. Поражающее воображение многооб-разие среди тел, нахо-дящихся во внешней области Солнечной си-стемы – в поясе Койпе-ра – это только начало

новых открытий и но-вых представлений о них. Самый необычный объект пояса – карли-ковая планета Хаумеа, которая имеет форму, существенно отличаю-щуюся от сферической. Уникальной оказалась ее система спутников, а наличие группы ас-тероидов, движущих-ся на орбитах, подоб-ных основному телу и составляющих семей-ство Хаумеа, указывает на громадный импакт, произошедший на ран-них стадиях образова-ния Солнечной систе-мы. Американская АМС “Новые горизонты” до-стигнет окрестностей Плутона в 2015 г. (Земля и Вселенная, 2006, № 3, с. 108–109), она сможет открыть для нас многие тайны далекой области Солнечной системы.

Zeml_Vsel_Yralskaya_21-28.indd 21Zeml_Vsel_Yralskaya_21-28.indd 21 12/26/11 10:05:01 AM12/26/11 10:05:01 AM

22

НЕОБЫЧНАЯ КАРЛИКОВАЯ ПЛАНЕТА ХАУМЕА

Карликовая планета Хаумеа – один из самых интересных объектов Солнечной системы (Зем-ля и Вселенная, 2009, № 1, с. 66–67). Третья по размеру среди карлико-вых планет, после Эриды и Плутона, она представ-ляет собой сильно вы-тянутое эллипсоидаль-ное тело. У нее есть два спутника. Хаумеа – ро-доначальница семейства малых тел с одинаковы-

ми свойствами и орбита-ми.

В 2004 г. появилось сообщение об открытии транснептунного объ-екта, который получил временное обозначение 2003 ЕL61, а затем посто-янный номер в Каталоге малых планет (136108). Объект был открыт на расстоянии 51 а.е., види-мая звездная величина его в момент открытия составляла 17,5m. Перво-открыватели объекта – Х.Л. Ортиз (J.L. Ortiz) с коллегами из обсер-

ватории Сьерра Нева-да (Испания) и М. Браун (М. Brown), профессор Калифорнийского техно-логического института.

Международный аст-рономический союз (IAU) классифицировал объ-ект как пятую по при-своению ей статуса кар-ликовой планеты после

Карликовая планета Хаумеа (Наumеа) со спутниками. Рисунок художника А. Фил-да (А. Feild, Space Telescope Science Institute).


23

Цереры, Плутона, Эриды и Макемаке (Земля и Все-ленная, 2007, № 2, с 23–24). Карликовая планета получила название Хау-меа (Наumеа) по имени богини плодородия, де-торождения и изобилия в гавайской мифологии. По преданиям, дети Хаумеа возникали из различных частей ее тела, она при-нимала всевозможные формы и испытала мно-жество возрождений.

Хаумеа – классиче-ский объект пояса Кой-пера с большой полуосью 43 а.е., эксцентрисите-том 0,2 и наклоном 28°. Период обращения во-круг Солнца составляет примерно 282 года. Рас-стояние от Солнца в пе-ригелии – 34,62 а.е., в апогее тело находится на расстоянии 51,53 а.е., то есть карликовая пла-нета была открыта прак-тически в апогее. Это означает, что в течение ближайших 140 лет Хау-меа будет приближать-ся к Солнцу и Земле, и условия ее наблюдения будут улучшаться.

Фотометрические кри-вые яркости, получен-ные в разных диапазонах волн, свидетельствуют об очень быстром враще-нии карликовой плане-ты (период – 3,9 ч) и ее удлиненной форме. Ока-залось, что Хаумеа вра-щается вокруг своей оси быстрее всех крупных транснептунных объек-тов и даже всех небес-ных тел Солнечной си-стемы размером свыше

100 км. Масса Хаумеа была определена из ор-биты ее недавно откры-того спутника и равна 4,2 × 1021 кг, что состав-ляет примерно 32% от массы Плутона.

Фотометрические на-блюдения позволили определить форму, раз-мер и альбедо этого тела. Высокая скорость вращения указывает на то, что тело должно быть сильно сжато или пред-ставлять собой трехос-ный эллипсоид враще-ния. Если представить Хаумеа в виде сфероида Маклорена, то динамиче-ская стабильность тако-го сфероида Маклорена возможна при плотности, большей 2530 кг/м3. Так как для всех тел пояса Койпера предполагаемый состав – лед и камень, то плотность Хаумеа долж-на быть меньше плотно-сти Луны, то есть мень-ше 3300 кг/м3. Используя критерий гидродинамиче-ского равновесия, Д. Ра-бинович (D. Rabinowitz, 2006) определил, что Хаумеа – это эллипсои-дальное тело размером 1960 × 1518 × 996 км при плотности 2600 кг/м3 и очень высоком альбедо – 0,73. Таким образом, со-отношение больших по-луосей должно быть в пределах b/а ~ 0,76–0,88 и с/а ~ 0,50–0,55.

Оптический и инфра-красный спектры пока-зывают, что поверхность Хаумеа почти целиком покрыта водяным льдом. Этим она существен-

но отличается от таких карликовых планет, как Эрида, Плутон и Макема-ке, поверхность которых богата метаном. Не об-наружено значительных вариаций в спектраль-ном составе и в глубине абсорбции водяного льда при любых фазах враще-ния, это указывает на то, что поверхность Хаумеа достаточно однородна. Состав ее поверхности показывает одинаковое соотношение кристал-лического и аморфно-го водяного льда, а ко-личество других малых компонентов составляет не более 8%.

Если бы Хаумеа была равномерно окрашена, то кривая ее яркости была бы абсолютно симмет-ричной, с равными мак-

Наилучшее представление формы Хаумеа эллипсои-дом Якоби, предложенное П. Ласерда (Р. Lacerda) и Д.С. Джуиттом (D.С. Jewitt).


24

симумами и минимумами. Однако более поздние исследования показали, что у двух пиков кривой разная высота. Асиммет-рия говорит о том, что на поверхности есть об-ласть темнее и краснее остальной поверхности. Однако размер, форма и происхождение этой области на поверхности пока еще неизвестны.

СЕМЕЙСТВО ХАУМЕА

Предполагается, что малые тела в Солнечной системе часто сталки-

ваются. Так, в Главном астероидном поясе не-посредственным доказа-тельством столкновений является существова-ние множества семейств астероидов с похожими свойствами поверхности и находящихся на подоб-ных орбитах в результа-те большого импакта. В поясе Койпера, в отличие от этого, не было извест-но ни одного семейства, созданного катастро-фическим столкновени-ем. Однако у третьего по величине объекта за орбитой Нептуна–Хау-меа – есть все признаки громадного импакта, ко-торый создал его систе-му спутников, при этом в значительной степени лишил Хаумеа ледяной мантии и придал телу быстрое вращение.

Удалось обнаружить семейство тел с подоб-ными орбитами и свой-ствами поверхности. Это восемь объектов пояса Койпера – 1995 SМ55, 1996 ТО66, 1999 ОY3, 2002 ТХ300, 2003 ОР32, 2003 UZ117, 2005 СВ79 и 2005 RR43, – имею-щих одинаковые орби-ты с большой полуосью 43 а.е., эксцентрисите-том 0,14, наклоном 28°

и средним движением 0,0034 град/сут. Это пер-вое известное семейство в поясе Койпера, создан-ное громадным импак-том, – семейство Хаумеа. Однако предполагаемое столкновение, произо-шедшее более 100 тыс. лет назад, находится в противоречии с диспер-сией скоростей, наблю-даемых у его членов (140 м/с), которая значи-

Фотометрическая кривая яркости Хаумеа в двух дли-нах волн R и В. Два пика кривой за период вращения имеют разную высоту, что указывает на присутствие более красного пятна на по-верхности планеты.


25

тельно меньше, чем ско-рость отрыва у Хаумеа (900 м/с).

Один из сценариев об-разования этого семей-ства позволяет снять это противоречие. Снача-ла Хаумеа подверглась сильнейшему удару, кото-рый сообщил ей быстрое вращение и образовал спутник, вращающийся на орбите. Затем вновь образовавшийся спут-ник приливной эволюци-ей удаляется от основ-ного тела. В некоторый момент спутник подвер-гается деструктивному разрушению, в результа-те чего возникли семей-ство Хаумеа и ее спутни-ковая система.

СПУТНИКИ ХАУМЕА – ХИИА-КА И НАМАКА

Первый и наиболее яркий спутник, Хииа-ка (Нi’iaka), был открыт 26 января 2005 г. на Об-серватории Кека (Keck Observatory) на Гавай-ях телескопом с лазер-ной адаптивной опти-кой (Keck Observatory Laser Guide Star Adaptive Optics system) группой наблюдателей во главе с М. Брауном. Через пол-года, 30 июня 2005 г., эта же группа открыла мень-ший, внутренний спут-ник – Намака (Namaka). Названия спутникам Хау-меа присвоены 17 сен-тября 2008 г. по именам дочерей гавайской боги-ни плодородия. Хииака – богиня танца и патро-несса Большого Острова

Гавайев, на котором рас-положена обсерватория Мауна-Кеа. Намака – бо-гиня воды и моря; по ле-генде она охладила лаву своей сестры Пеле, кото-рая текла в море, и пре-вратила ее в новый ост-ров.

Наблюдения этих спут-ников были проведены на Обсерватории Кека и камерой высокого раз-решения Космического телескопа Хаббла. Пе-риоды обращений Хииа-ка и Намака составляют 49,5 и 18,3 суток соот-ветственно с отношени-ем периодов 2,7, то есть в движении спутников имеется резонанс сред-них движений, близкий к отношению 8 : 3. Отно-шение масс спутников к основному телу 0,0045 и 0,0005, а отношение масс спутников между собой

составляет примерно 0,1.

Крупный спутник, Хииака, имеет почти кру-говую орбиту с большой полуосью 49 880 км и эксцентриситетом 0,05. Намака обращается по сильно вытянутой орби-те с большой полуосью 25 657 км и эксцентри-ситетом 0,25. Спутники движутся в различных плоскостях, причем вза-имный наклон между дву-мя орбитами составляет 13°. Это не может быть вызвано взаимными воз-мущениями, а количест-венно можно объяснить приливной эволюцией при прохождении через резонансы средних дви-жений с Хииака. Как уже отмечалось, в настоя-щее время этот резонанс близок к 8 : 3, он значи-тельно влияет на орбиту

Возможный сценарий происхождения семейства Хаумеа и спутниковой системы, предложенный X. Шлихтингом (Н. Schlichting) и Р. Сари (R. Sari): а) Хаумеа подверглась сильнейшему удару, который сообщил ей быстрое вра-щение и образовал спутник, вращающийся на орбите; б) вновь образовавшийся спутник удаляется от основного тела вследствие приливной эволюции; в) спутник подвер-гается деструктивному разрушению; г) в результате обра-зовались семейство Хаумеа и спутниковая система.


26

Намака, вызывая боль-шую прецессию орбиты.

Точно определить раз-меры спутников можно только при некоторых

предположениях отно-сительно альбедо спут-ников и их плотности. Масса и соотношение яр-костей спутников пока-

зывают, что спутники должны иметь либо бо-лее высокое альбедо, либо меньшую плотность, чем основное тело. Спек-тральные и фотометри-ческие свойства Хаумеа, Хииака и Намака совпа-дают, следовательно, их альбедо должны быть по-добны (0,73). Тогда плот-ность спутников должна быть сравнима с плот-ностью водяного льда (ρ = 1,0 г/см3). Это при-водит к предположению, что спутники образова-лись после сильного им-пакта из богатой водяным льдом мантии Хаумеа и в дальнейшем в результа-те приливной эволюции достигли современного состояния. При этих зна-чениях альбедо и плот-ности водяного льда раз-меры спутников будут для Хииака – 320 км, для Намака – 180 км.

ВЗАИМНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ ХАУМЕА

Изучение орбиты спут-ника Хииака показало, что мы немного опоздали с наблюдением взаим-ных затмений и покрытий

Предполагаемые орбиты двух спутников Хаумеа. По-казаны наблюдения спутни-ков и ошибки их измерений (M. Brown, 2005).

Относительные положе-ния орбит спутников в мар-те 2008 г., за два месяца до начала взаимных явлений (D. Ragozzine, M. Brown, 2009).


27

Хаумеа и ее яркого спут-ника, которые произо-шли еще до их открытия. Система уже прошла пе-риод благоприятных на-блюдений в 1999 г. и на-ходится только в 4° от положения, когда она была ребром к наблю-дателю, что давало воз-можность увидеть эти редкие явления. 2 июля 2009 г. произошло един-ственное и последнее в этом столетии взаимное явление между спутни-ками Хииака и Намака. В течение 140 лет такого больше не произойдет.

С целью наблюдения этого уникального явле-ния для Космического телескопа Хаббла созда-ли программу фотомет-рических исследований (Рrogramme 11971), мо-мент которого установ-лен с вероятностью 93%. Даже наблюдение одно-го такого события помог-ло бы установить плот-ность спутника Хииака с точностью до 15% и дать уникальную возможность определить условия фор-мирования и эволюции этой необычной системы.

Однако никаких сообще-ний об успешности этого мероприятия не поступа-ло.

В мае 2008 г. нача-ли происходить взаим-ные затмения и покры-тия в системе основное тело – спутник Намака. События продолжались от нескольких минут до 6 часов, при этом умень-шение звездной величи-ны составляло примерно 0,03m.Такие взаимные яв-ления будут наблюдать-ся в течение несколь-ких ближайших лет, а следующий цикл взаим-ных событий повторится только через 130 лет, то есть в 2139 г.

В 2008 г. должны были наблюдаться восемь вза-имных явлений в системе Хаумеа, в 2009 г. произо-шло 20 взаимных событий в системе Хаумеа – На-мака, в 2010 г. – 28, в 2011 г. – 27. Профессор М. Браун на сайте Кали-форнийского технологи-ческого института поме-стил информацию для наблюдателей взаимных явлений в системе Хау-меа.

Хаумеа – очень сла-бый объект почти 18m, поэтому его наблюде-ния представляют значи-тельные трудности. Для хороших измерений по-требуется 2-м или более сильный телескоп. Кроме того, Хаумеа очень быст-ро вращается, при этом общее количество све-та изменяется на 25% за 4-часовой период. А сум-марное изменение света при взаимных явлениях составляет только 1%, поэтому уловить это ма-лое изменение яркости достаточно трудно. В на-стоящее время размер Хаумеа известен с точно-стью до 200–300 км. Если мы точно определим мо-мент явления, то можно узнать размер лимба, а следовательно, и плане-ты с точностью примерно 20 км.

Взаимные явления, наблю-даемые в системе Хаумеа (с сайта М. Брауна http://w e b . g p s . c a l t e c h . e d u /~mbrown/2003EL61/mutual/).


28

Наблюдения многих явлений позволят опре-делить точную форму, размер, альбедо и плот-ность этой необычной планеты, положение ее полюса вращения, а так-же размер, альбедо и плотность внутреннего спутника Намака и уточ-нить орбитальные дан-ные обоих спутников путем измерения возму-щений орбиты Намака.

В системе Хаумеа воз-можны различные типы взаимных явлений. Это затмения и покрытия, прохождения спутника по диску планеты, про-хождение тени и комби-нация этих явлений. Для успешных наблюдений были рассчитаны время начала события, вид яв-ления и продолжитель-ность события, а также эфемериды для наблю-дений. К сожалению, из-за неточности знания параметров системы не-определенность в фик-сации момента события составляет ± 1 ч.

По предложенным эфемеридам явления на-блюдались 7 и 18 июня и 14 июля 2008 г. коллек-тивом авторов различных обсерваторий. Они полу-чили фотометрические кривые для трех ночей предсказанных явлений. Все измерения проводи-лись с красным фильт-ром, но с различными диафрагмами на теле-скопах, распределенных по долготе. Комбинируя астрометрические и фо-тометрические измере-ния, авторы надеются

получить карту альбедо, форму и гравитационные моменты основного тела, а также массы и альбедо спутников.

В 2009 г. взаимные яв-ления наблюдались на обсерватории Пико дос Диас (Рico dos Dias) На-циональной лаборато-рии астрофизики Бра-зильского министерства науки, с использованием 1,6-м телескопа фирмы Перкин-Элмер (Реrkin-Elmer). Космический те-лескоп Хаббла также провел успешные наблю-дения взаимных явлений 28 июня 2010 г. Обработ-ка полученных астромет-рических и фотометри-ческих данных уже дала первые результаты, ко-торые удивили ученых. Внешний спутник Хииака имеет быстрое вращение, что оказалось совершен-но неожиданным для ис-следователей.

Обсуждается вопрос богатой феноменологии этих событий. Если бы в системе Хаумеа был толь-ко один спутник, то изме-нение взаимного распо-ложения Земли и Хаумеа привело бы к тому, что взаимные события быст-ро закончились. Однако некомпланарная орбита внешнего яркого спутни-ка так влияет на орбиту Намаки, что возвращает его орбиту к положению ребром к наблюдателю. Поэтому взаимные явле-ния будут продолжаться еще несколько лет, да-вая замечательную воз-можность изучения этой уникальной системы.

НЕРЕШЕННЫЕ ЗАДАЧИ

Открытие необычной системы Хаумеа ставит перед учеными ряд не-бесно-механических за-дач, которые должны быть решены в будущем. Необходимо создать тео-рию поступательно-вра-щательного движения карликовой планеты Хаумеа, учитывая, что тело имеет форму силь-но вытянутого эллип-соида с соотношением осей 1 : 0,8 : 0,5, а так-же очень быстрое вра-щение с периодом 3,9 ч. Второй задачей являет-ся создание теории дви-жения спутников в поле тяготения сильно сжато-го тела (коэффициент, определяющий сжатие J2 = 0,244) с учетом вза-имного влияния спутни-ков. При этом надо иметь в виду, что спутники дви-жутся в разных плоско-стях и их орбиты сильно отличаются от кеплеров-ских.

Кроме того, интерес-но проследить эволюцию орбит спутников на боль-ших интервалах времени, чтобы подтвердить гипо-тезу импакта в прошлом и оценить устойчивость си-стемы в будущем. Опре-деление моментов и эфе-мерид взаимных явлений в системе Хаумеа – Нама-ка надо провести со всей возможной точностью. В дальнейшем это при-ведет к уточнению пара-метров всей системы на основе наблюдений вза-имных явлений в системе Хаумеа – Намака.


Карликовая планета Хаумеа и ее...

Documents