Транснептуновые объекты (ТНО) — это одни из наименее известных объектов нашей Солнечной системы. Их тысячи, и своё название они получили из-за особенностей орбит. Эти карликовые планеты вращаются вокруг Солнца на среднем расстоянии, большем, чем у Нептуна. Плутон — самый известный представитель этой группы, который в последние годы был понижен в статусе с планеты до ТНО.
ТНО — это реликты ранней Солнечной системы. Они сформировались в холодных, отдалённых уголках протопланетного диска. В то время молодая Солнечная система была более хаотичной и динамичной, и по мере миграции гигантских планет гравитационные взаимодействия формировали орбиты, по которым следуют ТНО.
Многие из них имеют эксцентричные орбиты, несколько наклоненные к плоскости планет. Они составляют так называемый рассеянный диск. У ТНО есть ещё одна необычная особенность: сложное распределение цветов — от серого до красного, как показали исследования, проведённые в рамках проектов Outer Solar System Origins Survey (OSSOS) и Dark Energy Survey. Астрономы считают, что это связано с различными льдами и сложными химическими веществами на их поверхностях. Толины — одно из таких веществ, они примечательны тем, что придают Плутону красноватый оттенок. (Хотя Плутон является ТНО, он не входит в состав рассеянного диска.)
Примечательно, что распределение цветов не является случайным и предполагает корреляцию с их орбитами. Таким образом, цвет ТНО указывает на то, где в протопланетном диске он сформировался, и на его последующие динамические взаимодействия с другими телами.
Новое исследование, которое будет опубликовано в журнале The Astrophysical Journal Letters, предполагает, что необычные орбиты и цвета ТНО являются результатом звёздного пролёта. Оно называется «Цвета ТНО предоставляют новые доказательства прошлого близкого пролёта другой звезды мимо Солнечной системы», а ведущим автором является профессор доктор Сюзанне Пфальцнер из Юлихского суперкомпьютерного центра в Германии. В настоящее время оно доступно на сервере препринтов arXiv.
В статье говорится: «ТНО — это остатки формирования планет из диска газа и пыли, поэтому удивительно, что они движутся в основном по эксцентричным орбитам, наклонённым к плоскости планет, и демонстрируют сложное распределение цветов от красного до серого». «Близкий звёздный пролёт может объяснить динамику ТНО, но неясно, может ли это также объяснить корреляцию между их цветами и орбитальными характеристиками».
Если пролёт звезды действительно имел место, то, вероятно, это произошло в самом начале истории Солнечной системы. «Пролёт, вероятно, имел место на ранних этапах существования Солнечной системы в звёздном скоплении, где родилось Солнце», — пишут авторы. «В таких скоплениях звёздная плотность примерно в 1000–миллион раз выше, чем в местном звёздном скоплении, и поэтому близкие пролёты более распространены».
Чтобы выяснить, может ли пролёт звезды объяснить особенности ТНО, исследователи обратились к суперкомпьютерному моделированию. Они смоделировали пролёт звезды с массой 0,8 массы Солнца мимо диска, состоящего из 10 000 и 50 000 частиц. Астрономы не знают, насколько большим был диск Солнечной системы, но наблюдения за другими дисками показывают, что он варьируется от примерно 100 а. е. до 500 а. е. «Мы моделируем эффект пролёта до радиуса в 150 а. е.», — пишут авторы. Моделируемая звезда-возмущающее тело достигла расстояния периастра в 110 а. е. и была наклонена на 70 градусов.
Исследователи также использовали цветовой градиент в своих симуляциях, чтобы уточнить результаты. «Мы предполагаем цветовой градиент в диске до пролёта и представляем его радужным спектром цветов между 30 а. е. и 150 а. е.».
Одним из результатов моделирования стало то, что звёздный пролёт привёл ТНО к форме спирального рукава. «Возмущающее тело значительно изменяет их орбиты, создавая видимые спиральные рукава из-за индуцированных суб- и суперкеплеровских скоростей», — объясняют исследователи.
ТНО разделены на динамические группы по их орбитам, и исследователи пишут, что их пролёт успешно воспроизвёл эти группы, за исключением резонансных популяций, которые были созданы позже в результате взаимодействий с Нептуном.
Что касается цветов, результаты были аналогичны предыдущим исследованиям, показывающим, что цвет и наклонение орбиты коррелируют. Авторы объясняют, что «красные тестовые частицы в основном находятся при малых наклонениях и расстояниях периастра, что позволяет предположить, что они сохраняют больше своей первоначальной динамики». С другой стороны, частицы от зелёного до синего преобладают при более высоких наклонениях орбит, где красные и оранжевые частицы встречаются редко. Красные тестовые частицы соответствуют очень красным ТНО, а другие цвета представляют оттенки серого, наблюдаемые у ТНО.
Исследователи запустили моделирование на 1 миллиард лет, и оно показало, что эффекты возмущающего тела стали незначительными к 12 000 лет после периастра. «Через 1 млрд лет общая структура остаётся похожей, с очень редкими красными объектами среди ТНО с высоким наклонением и высокой эксцентричностью», — пишут исследователи. Они также объясняют, что цветовые узоры становятся менее чёткими. В конце концов, некоторые красные частицы выбрасываются из Солнечной системы, а другие смещаются на высокие наклонения. «Отчётливые различия в распределении цветов между низко- и высоконаклонёнными, а также низко- и высокоэксцентричными ТНО сохраняются», — объясняют они.
Понимание транснептуновых объектов нашей Солнечной системы и их истории получит новый импульс, когда обсерватория Веры Рубин начнёт своё 10-летнее исследование «Наследие: обзор пространства и времени» (LSST). Оно может увеличить количество известных ТНО в 10 раз. Эти данные позволят глубже понять популяцию ТНО.
Один из способов проверить точность их моделирования — использовать его для прогнозирования того, что обнаружит LSST. «В ожидании этого мы пытаемся предсказать цвета этих вскоре обнаруживаемых ТНО с точки зрения пролёта звезды», — пишут авторы. Они сосредотачиваются на далёких ТНО, поскольку их с большей вероятностью заметят в LSST. Они говорят, что если они правы, далёкие ТНО будут преимущественно светло-красными и серыми оттенками, в то время как ярких красных объектов будет заметно не хватать.
Различные цвета ТНО указывают на присутствие различных химических веществ. В некоторых случаях эти химические вещества были выветрены и изменены, но цвета всё равно являются убедительным ключом к их происхождению и позволяют астрономам отслеживать их эволюцию. Это исследование показывает, что звёздный пролёт может объяснить, как ТНО были собраны в их необычные орбиты.
«Предполагая начальный цветовой градиент в диске обломков Солнца, мы обнаружили, что пролёт звезды объясняет наблюдаемые цветовые корреляции из исследований OSSOS и DES», — объясняют исследователи. «Это одновременное объяснение динамики и цветов ТНО значительно усиливает аргумент в пользу того, что звёздный пролёт во многом определяет структуру Солнечной системы за пределами Нептуна», — заключают они.
Предоставлено Universe Today.