Попытки понять состав и эволюцию пояса Койпера в Солнечной системе не дают покоя исследователям с тех пор, как в 1930 году, вскоре после открытия Плутона, была выдвинута гипотеза о его существовании. В частности, двойные пары объектов в этом поясе полезны в качестве индикаторов, поскольку их существование сегодня даёт представление о том, насколько энергичной или бурной была эволюция Солнечной системы в первые четыре миллиарда лет её существования.
Внимательно изучая эволюцию сверхшироких (разделенных) двойных объектов, исследователи включили больше физики, которая многое раскрывает об их архитектуре и развитии. Они обнаружили, что эти сверхширокие двойные объекты, возможно, сформировались не в первичной солнечной системе, как считалось.
«Во внешних областях Солнечной системы существует популяция двойных звёздных систем, разделённых настолько большим расстоянием, что стоило бы изучить, могут ли они просуществовать 4 миллиарда лет, не разделившись каким-либо образом», — сказал Хантер М. Кэмпбелл из Университета Оклахомы в США.
«Если они сформировались в раннем поясе Койпера и просуществовали так долго, можно сделать ряд выводов о том, насколько энергичной или бурной была эволюция Солнечной системы в её ранние дни».
Пояс Койпера — это область Солнечной системы в форме тора, содержащая планетезимали и более мелкие тела, оставшиеся после формирования Солнечной системы. Он начинается примерно на орбите Нептуна, которая в среднем находится на расстоянии 30 астрономических единиц (а.е.) от Солнца, и простирается примерно до 55 а.е., наклоняясь на 10° относительно плоскости эклиптики Земли.
Он в 20–200 раз массивнее, чем пояс астероидов, и состоит из небольших остатков формирования Солнечной системы — в основном это ледяные летучие вещества, состоящие из таких молекул, как метан, аммиак и вода. В нём находятся карликовые планеты Плутон, Эрида, Орк и другие. Считается, что существует более 100 000 объектов пояса Койпера диаметром более 100 км.
Холодные классические объекты пояса Койпера, входящие в состав пояса Койпера, — это класс небольших тел с неизменными орбитами за пределами орбиты Нептуна. Эти объекты являются примитивными и хранят информацию о формировании Солнечной системы. Они никогда не мигрировали, как Нептун, удаляясь от Солнца в самом начале формирования Солнечной системы. В этом регионе больше всего сверхдальних двойных систем (СДС) — почти треть объектов в этом регионе являются двойными, гравитационно связанными с другим объектом, и несколько процентов из них — сверхдальние двойные системы (СДС), диаметр которых составляет примерно 100 км, но они разделены расстоянием в десятки тысяч километров.
«Во многих работах, написанных в прошлом, изучалась эволюция двойных звёзд, вызванная столкновениями с пролетающими мимо телами, — сказал Кэмпбелл. — В нашей работе рассматривается эволюция, вызванная гравитационными возмущениями».
Несмотря на их редкость и подверженность разрушениям, современные сверхширокополосные радары используются для определения минимального расстояния от Нептуна в ранней Солнечной системе и приблизительного количества транснептуновых объектов (ТНО) размером в несколько километров в современном поясе Койпера.
Однако неявно предполагалось, что архитектура СДС-объектов с большим расстоянием между ними сформировалась в ранней, первичной Солнечной системе. Но Кэмпбелл и его команда задались вопросом, могли ли изначально существовать тесно связанные двойные объекты, которые в результате столкновений с транснептуновыми объектами на протяжении эонов потеряли часть своей связи друг с другом и, хотя всё ещё были связаны, их расстояние увеличилось до сверхбольших значений.
Однако исследования показали, что количество проходящих мимо или сталкивающихся ТНО в современном поясе Койпера слишком мало, чтобы значительно увеличить популяцию СДС.
По мере того как Нептун удалялся от Солнца (с 24 до 30 а. е.), некоторые из этих объектов динамически рассеивались, пока не начали активно взаимодействовать с гигантскими внешними планетами Солнечной системы, после чего были выброшены из Солнечной системы или оказались в облаке Оорта.
Считается, что от 99 до 99,9% планетезималей из первичного пояса были выброшены из динамического пояса Койпера — объектов, которые сформировались гораздо ближе к Солнцу и переместились на свои нынешние орбиты, будучи вытесненными Нептуном. Поскольку для удаления затронутого объекта из первичного пояса требуется не менее 10 миллионов лет, Кэмпбелл и его коллеги задались вопросом, могут ли многочисленные пересечения холодного классического пояса такими возмущёнными ТНО быть значительно более частыми, чем следует из современных наблюдений, что подвергло бы двойные системы более сильным гравитационным возмущениям.
Именно это и выявило их моделирование эволюции пояса Койпера. Сверхновые, по-видимому, не являются первичными, поэтому они не могли ограничивать раннюю Солнечную систему, как считалось ранее.
«Судя по нашим результатам, эти возмущения довольно значительны, вплоть до того, что эти широкие двойные звёзды, вероятно, не могли существовать очень долго», — сказал Кэмпбелл.
«Но возмущения также могут создавать больше таких широких двойных звёзд, постепенно раздвигая изначально более плотные и стабильные двойные звёзды, пока они не станут широкими».
Подвергнув ранние двойные системы воздействию четырёх миллиардов лет сближений с этими различными траекториями ТНО, они обнаружили, что «расширение более плотных двойных систем ТНО до сверхширокополосных конфигураций не было чем-то необычным в наших симуляциях».
Они подсчитали, что за 4 миллиарда лет существования Солнечной системы 10% умеренно плотных двойных звёзд превратятся в сверхплотные. Но этот результат не относится к более плотным двойным звёздам.
«По мере того, как будет открыто больше двойных звёзд в поясе Койпера и мы получим более полное представление о широком спектре двойных звёзд, мы сможем сузить рамки ограничений, накладываемых на эволюцию пояса Койпера и гигантских планет, которые его сформировали», — сказал Кэмпбелл.
Поскольку подобные диски К. Б. наблюдались в других звёздных системах, «если мы узнаем больше о том, как сформировалась наша система, мы сможем узнать немного больше о том, как сформировались другие системы, и сделать некоторые предположения о том, какие ещё планеты могут там скрываться, которые иначе было бы трудно увидеть».
Источник: Nature Astronomy
На изображении:
Схема пояса Койпера. Крупные объекты — это Солнце, Юпитер, Уран, Нептун и Сатурн. За ними находятся объекты пояса Койпера, относящиеся к разным категориям. Масштаб в а.е. Расстояния указаны в масштабе, но Солнце и точки планет — нет.
Дополнительные материалы
